操作系统实战

developerworks 发布于2019-08-19 10:35 / 2418人阅读

摘要：操作系统实战临界资源保护临界资源进行通信线程间同步互斥量和读写锁自旋锁条件变量进程间同步共享内存域套接字重要概念用户态与内核态上下文切换协程线程同步之互斥量互斥量锁可以保证多线程的指令按顺序执行，避免两个线程的指令交叉执行即原子性原子性是指

操作系统实战 临界资源

保护临界资源/进行通信

线程间同步

互斥量和读写锁自旋锁条件变量

进程间同步

共享内存域套接字

重要概念

用户态与内核态

上下文切换

协程

线程同步之互斥量

互斥量（锁）可以保证多线程的指令按顺序执行，避免两个线程的指令交叉执行（即 原子性）

原子性是指一系列操作指令不可被中断执行，要么全部执行，要么全部没有执行，不存在部分执行的情况

互斥量是最简单的线程同步的方法

互斥量（互斥锁）是处于两态之一的变量：解锁和加锁

两个状态可以保证资源访问的串行

操作系统直接提供了互斥量的API，可使用API完成资源的加锁，解锁的操作

pthread_mutex_t

线程同步之自旋锁

自旋转也是一种多线程同步的变量

使用自旋转的线程会反复检查锁的变量是否可用

自旋转不会让出CPU，是一种忙等待 的状态（死循环等待锁被释放）

自旋锁避免了进程或线程的**上下文切换**的开销

操作系统内部很多地方使用的是自旋锁
自旋锁不适合在单核CPU使用

pthread_spinlock_t

线程同步之读写锁

当临界资源属于 多读少写 的情况，可以采用效率更高的同步方法：读写锁 读多写少场景相比互斥量性能提出几倍

读写锁是一种特殊的 自旋锁

允许多个读者同时访问资源以提高读性能（读不改变临界资源的值）

对于写操作则是互斥的

pthread_rwlock_t
pthread_relock_rdlock
pthread_rwlock_wrlock

线程同步之条件变量

在生产消费场景中面临以下情况
1 缓冲区小于0时，不允许消费者消费，消费者必须等待
2 缓冲区满时，不允许生产者往缓冲区生产，生产者必须等待
当生产者生产一个产品时，唤醒可能等待的消费者
当消费者消费一个产品时，唤醒可能等待的生产者

pthread_cond_t  配合 互斥量（锁）使用
pthread_cond_wait
pthread_cond_signal

条件变量是一种相对复杂的线程同步方法

条件变量允许线程睡眠，直到满足某种条件

当满足条件时，可以向该线程信号，通知唤醒

线程同步方法总结

1 互斥锁最简单的线程同步方法，会阻塞线程
2 自旋锁避免上下文切换的一种线程同步方法，属性忙等待CPU
3 读写锁为多读少写的资源设计的线程同步方法，显著提高性能
4 条件变量相对复杂的多线程同步方法，配合互斥量，更灵活的使用场景

使用fork系统调用创建进程

java python 等语言底层也是通过fork 创建进程

fork系统调用是用于创建进程的

fork创建的进程初始状态与父进程一样

系统会为fork的进程分配新的资源

fork系统调用无参数 fork会返回两次，分别是子进程id 和 0

进程同步之共享内存

进程的线程共享进程资源，理论上进程之间由于操作系统的进程管理机制（进程-页表-物理内存），进程间的内存空间是相互独立的，（进程默认是不能访问进程空间之外的内存空间）但进程可以通过共享内存打破这样的限制

共享存储允许不相关的进程访问同一片物理内存

共享存储是两个进程之间共享和传递数据最快的一种方式

共享内存未提供同步机制，需要借助其他机制管理访问

共内存是高性能后台开发中最常用的进程同步方式

共享内存实现流程

1 申请共享内存
2 连接到进程空间
3 使用共享内存
4 脱离进程空间&删除

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