操作系統——進程，線程，鎖

基本概念

狀態、地址空間

1. 三種基本狀態 —— 就緒、運行、阻塞

2. 進程控制塊PCB（Process Control Block）

   1. 進程描述信息（如PID）；
   2. 進程控制&管理信息（狀態、優先級等）；
   3. 源分配清單（地址空間狀況、fd等）；
   4. 處理其相關信息（各寄存器的值等）

進程存在的標識，在Linux系統中是task_struct，task_struct在內核棧（Linux進程氛圍用戶棧和內核棧）的尾端分配。

3. 進程地址空間

從低地址到高地址：

• text 代碼段 —— 代碼段，一般是只讀的區域;
• static_data 段 =
• stack 棧區 —— 局部變量，函數的參數，返回值等，由編譯器自動分配釋放;
• heap 堆區 —— 動態內存分配，由程序員分配釋放;
  

4. 進程與線程

進程是擁有資源的基本單位，進程的地址空間相互獨立；

線程是獨立調度的基本單位，共享同一個進程內的資源（線程有自己的棧），減少了程序並發時所付出的時空開銷，並且可以高效的共享數據，有效地利用多處理器和多核計算機，提高os的並發度。

一個進程異常退出不會引起另外的進程運行異常；但是線程若異常退出一般是會引起整個進程奔潰。

創建/撤銷/切換 進程的開銷遠大於線程的（創建線程比創建進程快10~100倍 UNPv2/P406）。

5. 僵屍、孤兒、守護

孤兒進程 —— 父進程退出，而它的一個或多個子進程還在運行，那么那些子進程將成為孤兒進程。孤兒進程將被init進程(進程號為1)所收養，並由init進程對它們完成狀態收集工作。

僵屍進程 —— 一個進程使用fork創建子進程，如果子進程退出，而父進程並沒有調用wait或waitpid獲取子進程的狀態信息，那么子進程的進程描述符仍然保存在系統中。

守護進程 —— 守護進程的父進程是init進程，因為它真正的父進程在fork出子進程后就先於子進程exit退出了，所以它是一個由init繼承的孤兒進程。不需要用戶輸入就能運行而且提供某種服務，不是對整個系統就是對某個用戶程序提供服務。常見的守護進程包括系統日志進程syslogd、 web服務器httpd、郵件服務器sendmail和數據庫服務器mysqld等。

最大進程數以及單進程內的最大線程數？

最大進程數受以下3方面限制：

1. 不能超過pid_t類型的最大值
2. 使用命令ulimit -u查看系統中限制的最大進程數。/etc/security/limits.conf里面是硬限制，ulimit -u是軟限制，內核參數kernel.pid_max也做了限制。
3. 受系統資源限制，創建一個新進程會消耗系統資源，最主要的就是內存。

IPC （interprocess communication）

UNP 分了以下幾中形式的IPC：

• 消息傳遞 —— 管道、FIFO、消息隊列
• 共享內存
• 同步 ——信號量、互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和記錄鎖、
• 遠程過程調用 —— solaris 門、Sun RPC
• 跨網絡 IPC —— 套接字
• 域套接字
• 信號

進程間通信方式：匿名管道，有名管道，消息隊列，共享內存，信號量，套接字，域套接字，信號

線程同步方式：互斥量，條件變量，讀寫鎖

進程間通信

匿名管道

半雙工的（即數據只能在一個方向上流動），具有固定的讀端和寫端；是一種特殊的文件（pipefs，掛載在內核中），有固定大小，只存在於內存中；

實現原理：

管道是由內核管理的一個緩沖區，被設計成為環形的數據結構，以便管道可以被循環利用。當管道中沒有信息的話，從管道中讀取的進程會等待，直到另一端的進程放入信息。當管道被放滿信息的時候，嘗試放入信息的進程會等待，直到另一端的進程取出信息。當兩個進程都終結的時候，管道也自動消失。

在 Linux 中，管道的實現借助了文件系統的file結構和VFS的索引節點inode。通過將兩個file結構指向同一個臨時的VFS索引節點，而這個VFS索引節點又指向一個物理頁面而實現的。

內核會利用一定的機制同步對管道的訪問。

有名管道

半雙工，可在無關進程使用；FIFO有路徑名與之相關聯，以一種特殊設備文件形式存在於文件系統中

實現原理：

Linux中設立了一個專門的特殊文件系統--管道文件，FIFO在文件系統中有對應的路徑。當一個進程以讀(r)的方式打開該文件，而另一個進程以寫(w)的方式打開該文件，那么內核就會在這兩個進程之間建立管道，雖然FIFO在VFS的目錄樹下可見，但是它並不對應disk上的文件。
本質上是一個先進先出的隊列數據結構，最早放入的數據被最先讀出來，從而保證信息交流的順序。FIFO只是借用了文件系統來為管道命名。當刪除FIFO文件時，管道連接也隨之消失。當進程終止時，管道內的數據會被刪除。

消息隊列

1. 面向記錄的，其中的消息具有特定的格式以及特定的優先級；
2. 獨立於發送與接收進程。進程終止時，消息隊列及其內容並不會被刪除（隨內核的持性）。
3. 可以實現消息的隨機查詢，不一定要以先進先出的次序讀取,也可以按消息的類型讀取。

為什么不使用消息隊列

1. 進程終止時，消息隊列及其內容並不會被刪除（隨內核的持性）。
2. 在文件系統中沒有名字，不能使用IO。

共享內存和信號量

共享內存是最快的：

通常往管道、FIFO或消息隊列寫入數據時，這些IPC需要將數據從進程復制到內核，通常總共需要復制4次，而共享內存則只拷貝2次數據；如圖：

信號（Signal）

用於通知接收進程，有某種事件發生。

信號是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬，在原理上，一個進程收到一個信號與處理器收到一個中斷請求可以說是一樣的。信號是異步的，一個進程不必通過任何操作來等待信號的到達。

• SIGRTMIN之前的信號是非排隊(不可靠)的，多次連續發生的相同信號，只遞交一次；SIGRTMIN之后的信號不會丟失，會遞交多次。
• 在信號處理函數
  • singal：只阻塞當前正在處理的信號，后續信號會排隊(也會區分可靠和不可靠)
  • sigaction：可以設置阻塞正在處理的信號和其他型號

Pipe 與 FIFO 比較：

1. pipe在特殊文件系統pipefs中（內核中），VFS 目錄樹下不可見；FIFO 在目錄樹下可見；
2. 都有 inode，但沒有磁盤鏡像（disk image）；
3. Pipe 用於親緣關系進程通信；FIFO 無此要求；
4. 限制都包含兩個：OPEN_MAX（一個進程在任意時刻打開的最大描述符，默認1024）；還有PIPE_BUF（可原子性地往一個管道/FIFO 的最大數據量，默認 4K）

線程間同步

互斥鎖（Mutex）

加鎖原語，排他性訪問共享數據，用於保護臨界區。可細分為遞歸鎖/非遞歸鎖。
如果存在某個線程依然使用原先的程序

(即不嘗試獲得mutex，而直接修改共享變量)，互斥鎖不能阻止其修改。所以，互斥鎖機制需要程序員自己來寫出完善的程序來實現互斥鎖的功能（以下鎖 一樣）。

條件變量（Condition Variable）

互斥鎖用於上鎖，條件變量用於等待，條件變量的使用是與互斥鎖共通使用的。

條件變量學名叫管程（monitor）【From muduo P40】。

讀寫鎖

讀寫鎖也叫做 共享-獨占鎖，允許更高的並發度。

互斥量要么是鎖住狀態，要么是不加鎖狀態，而且一次只有一個線程對其加鎖。
讀寫鎖可以有三種狀態：讀模式下加鎖狀態，寫模式下加鎖狀態，不加鎖狀態。一次只有一個線程可以占有寫模式的讀寫鎖，但是多個線程可用同時占有讀模式的讀寫鎖。

讀寫鎖可以通過使用互斥鎖和條件變量來實現。

自旋鎖（spinlock）

在獲取鎖之前一直處於忙等（自旋）阻塞狀態；常用於
鎖被持有的時間短，且線程並不希望在重新調度上花費太多成本。當線程自旋等待鎖變為可用時，CPU不能做其他事情。

故而自旋鎖常作為底層原語，用於實現其他類型的鎖。

記錄鎖

記錄鎖是讀寫鎖的一種擴展類型，可用於親緣關系或無親緣關系的進程之間共享某個文件的讀與寫。被鎖住的文件通過文件描述符進行訪問，執行上鎖的操作函數是fcntl，這種類型的鎖通常在內核中維護。

記錄鎖的功能是：一個進程正在讀或修改文件的某個部分時，可以阻止其他進程修改同一文件區，即其鎖定的是文件的一個區域或整個文件。

記錄鎖有兩種類型：共享讀鎖，獨占寫鎖。基本規則是：多個進程在一個給定的字節上可以有一把共享的讀鎖，但在一個給定字節上的寫鎖只能有一個進程獨用。即：如果在一個給定的字節上已經有一把讀或多把讀鎖，則不能在該字節上再加寫鎖；如果在一個字節上已經有一把獨占性的寫鎖，則不能再對它加任何讀鎖。

死鎖

1. 死鎖 —— 就是兩個或多個進程被無限期地阻塞、相互等待的一種狀態。
2. 死鎖的四個條件
   1. 競爭同一個資源
   2. 持有資源不釋放
   3. 不能搶占資源
   4. 循環使用資源

處理死鎖的策略：
一般來說，打破循環使用資源最容易，即順序加減鎖

銀行家算法（死鎖避免算法）。在資源動態分配過程中，防止系統進入不安全狀態，以避免發生死鎖。

數據庫中會用到等待圖進行死鎖檢測

3. 死鎖定理：
   通過將資源分配圖簡化的方法，來檢測系統狀態是否為死鎖狀態。
   當且僅當S狀態的資源分配圖不可完全簡化時，S為死鎖狀態。

經典問題

1. 生產者-消費者問題
2. 讀者-寫者問題

Futex

在Linux下，信號量和線程互斥鎖的實現都是通過futex系統調用。