目錄

• 進程與線程比較
• 多線程
• • 同步與互斥
  • 生產者與消費者
  • 哲學家就餐問題
  • 讀者寫者問題
• 進程間通信
• • 管道
  • 消息隊列
  • 共享內存
  • 信號量
  • 信號
  • Socket
• 鎖
• • 互斥鎖與自旋鎖
  • 讀寫鎖
  • 樂觀鎖與悲觀鎖
  • 死鎖

進程與線程比較

• 進程是資源（包括內存、打開的文件等）分配的單位，線程是 CPU 調度的單位；
• 進程擁有一個完整的資源平臺，而線程只獨享必不可少的資源，如寄存器和棧；
• 線程同樣具有就緒、阻塞、執行三種基本狀態，同樣具有狀態之間的轉換關系；
• 線程能減少并發執行的時間和空間開銷；

線程相比進程能減少開銷，體現在：

• 線程的創建時間比進程快，因為進程在創建的過程中，還需要資源管理信息，比如內存管理信息、文件管理信息，而線程在創建的過程中，不會涉及這些資源管理信息，而是共享它們；
• 線程的終止時間比進程快，因為線程釋放的資源相比進程少很多；
• 同一個進程內的線程切換比進程切換快，因為線程具有相同的地址空間（虛擬內存共享），這意味著同一個進程的線程都具有同一個頁表，那么在切換的時候不需要切換頁表。而對于進程之間的切換，切換的時候要把頁表給切換掉，而頁表的切換過程開銷是比較大的；
• 由于同一進程的各線程間共享內存和文件資源，那么在線程之間數據傳遞的時候，就不需要經過內核了，這就使得線程之間的數據交互效率更高了

多線程

同步與互斥

多個線程如果競爭共享資源，如果不采取有效的措施，則會造成共享數據的混亂。

由于多線程執行操作共享變量的這段代碼可能會導致競爭狀態，因此我們將此段代碼稱為臨界區（*critical section*），它是訪問共享資源的代碼片段，一定不能給多線程同時執行。

我們希望這段代碼是互斥（mutualexclusion）的，也就說保證一個線程在臨界區執行時，其他線程應該被阻止進入臨界區

所謂同步，就是并發進程/線程在一些關鍵點上可能需要互相等待與互通消息，這種相互制約的等待與互通信息稱為進程/線程同步。

• 鎖：加鎖、解鎖操作；
• 信號量：P、V 操作；

這兩個都可以方便地實現進程/線程互斥，而信號量比鎖的功能更強一些，它還可以方便地實現進程/線程同步。

鎖分為無等待鎖與自旋鎖：

當獲取不到鎖時，線程就會一直 wile 循環，不做任何事情，所以就被稱為「忙等待鎖」，也被稱為自旋鎖（*spin lock*）。

無等待鎖顧明思議就是獲取不到鎖的時候，不用自旋。

既然不想自旋，那當沒獲取到鎖的時候，就把當前線程放入到鎖的等待隊列，然后執行調度程序，把 CPU 讓給其他線程執行。

信號量表示資源的數量，對應的變量是一個整型（sem）變量

• P 操作：將 sem 減 1，相減后，如果 sem < 0，則進程/線程進入阻塞等待，否則繼續，表明 P 操作可能會阻塞；
• V 操作：將 sem 加 1，相加后，如果 sem <= 0，喚醒一個等待中的進程/線程，表明 V 操作不會阻塞；

對于兩個并發線程，互斥信號量的值僅取 1、0 和 -1 三個值，分別表示：

如果互斥信號量為 1，表示沒有線程進入臨界區；
如果互斥信號量為 0，表示有一個線程進入臨界區；
如果互斥信號量為 -1，表示一個線程進入臨界區，另一個線程等待進入。
通過互斥信號量的方式，就能保證臨界區任何時刻只有一個線程在執行，就達到了互斥的效果。

生產者與消費者

• 生產者在生成數據后，放在一個緩沖區中；
• 消費者從緩沖區取出數據處理；
• 任何時刻，只能有一個生產者或消費者可以訪問緩沖區；
• 任何時刻只能有一個線程操作緩沖區，說明操作緩沖區是臨界代碼，需要互斥；
• 緩沖區空時，消費者必須等待生產者生成數據；緩沖區滿時，生產者必須等待消費者取出數據。說明生產者和消費者需要同步。

我們需要三個信號量 ：

互斥信號量 mutex：用于互斥訪問緩沖區，初始化值為 1

資源信號量 fullBuffers：用于消費者詢問緩沖區是否有數據，有數據則讀取數據，初始化值為 0（表明緩沖區一開始為空）；

資源信號量 emptyBuffers：用于生產者詢問緩沖區是否有空位，有空位則生成數據，初始化值為 n （緩沖區大小）；

哲學家就餐問題

• 5 個老大哥哲學家，閑著沒事做，圍繞著一張圓桌吃面；
• 巧就巧在，這個桌子只有 5 支叉子，每兩個哲學家之間放一支叉子；
• 哲學家圍在一起先思考，思考中途餓了就會想進餐；
• 奇葩的是，這些哲學家要兩支叉子才愿意吃面，也就是需要拿到左右兩邊的叉子才進餐；
• 吃完后，會把兩支叉子放回原處，繼續思考；

那么問題來了，如何保證哲 學家們的動作有序進行，而不會出現有人永遠拿不到叉子呢？

讓偶數編號的哲學家「先拿左邊的叉子后拿右邊的叉子」，奇數編號的哲學家「先拿右邊的叉子后拿左邊的叉子」

上面的程序，在 P 操作時，根據哲學家的編號不同，拿起左右兩邊叉子的順序不同。另外，V 操作是不需要分支的，因為 V 操作是不會阻塞的。

讀者寫者問題

讀者只會讀取數據，不會修改數據，而寫者即可以讀也可以修改數據。

不談讀優先于寫優先鎖，直接談公平讀寫鎖。

公平策略 ：

開始來了一些讀者讀數據，它們全部進入讀者隊列，此時來了一個寫者，執行 P(falg) 操作，使得后續到來的讀者都阻塞在 flag 上，不能進入讀者隊列，這會使得讀者隊列逐漸為空，即 rCount 減為 0。

這個寫者也不能立馬開始寫（因為此時讀者隊列不為空），會阻塞在信號量 wDataMutex 上，讀者隊列中的讀者全部讀取結束后，最后一個讀者進程執行 V(wDataMutex)，喚醒剛才的寫者，寫者則繼續開始進行寫操作。
為此時讀者隊列不為空），會阻塞在信號量 wDataMutex 上，讀者隊列中的讀者全部讀取結束后，最后一個讀者進程執行 V(wDataMutex)，喚醒剛才的寫者，寫者則繼續開始進行寫操作。

進程間通信

每個進程的用戶地址空間都是獨立的，一般而言是不能互相訪問的，但內核空間是每個進程都共享的，所以進程之間要通信必須通過內核。

管道

管道傳輸數據是單向的，如果想相互通信，我們需要創建兩個管道才行。

匿名管道，用完了就銷毀。

命名管道，也被叫做 FIFO，因為數據是先進先出的傳輸方式

只有當管道里的數據被讀完后，命令才可以正常退出。

管道這種通信方式效率低，不適合進程間頻繁地交換數據。當然，它的好處，自然就是簡單，同時也我們很容易得知管道里的數據已經被另一個進程讀取了。

對于匿名管道，它的通信范圍是存在父子關系的進程。因為管道沒有實體，也就是沒有管道文件，只能通過 fork 來復制父進程 fd 文件描述符，來達到通信的目的。

對于命名管道，它可以在不相關的進程間也能相互通信。因為命令管道，提前創建了一個類型為管道的設備文件，在進程里只要使用這個設備文件，就可以相互通信。

消息隊列

A 進程要給 B 進程發送消息，A 進程把數據放在對應的消息隊列后就可以正常返回了，B 進程需要的時候再去讀取數據就可以了。

消息隊列是保存在內核中的消息鏈表，在發送數據時，會分成一個一個獨立的數據單元，也就是消息體（數據塊），消息體是用戶自定義的數據類型，消息的發送方和接收方要約定好消息體的數據類型，所以每個消息體都是固定大小的存儲塊，不像管道是無格式的字節流數據。如果進程從消息隊列中讀取了消息體，內核就會把這個消息體刪除。
消息隊列不適合比較大數據的傳輸，因為在內核中每個消息體都有一個最大長度的限制，同時所有隊列所包含的全部消息體的總長度也是有上限。

消息隊列通信過程中，存在用戶態與內核態之間的數據拷貝開銷，因為進程寫入數據到內核中的消息隊列時，會發生從用戶態拷貝數據到內核態的過程，同理另一進程讀取內核中的消息數據時，會發生從內核態拷貝數據到用戶態的過程。

共享內存

共享內存的機制，就是拿出一塊虛擬地址空間來，映射到相同的物理內存中。

這樣這個進程寫入的東西，另外一個進程馬上就能看到了，都不需要拷貝來拷貝去，傳來傳去，大大提高了進程間通信的速度。

信號量

了防止多進程競爭共享資源，而造成的數據錯亂，所以需要保護機制，使得共享的資源，在任意時刻只能被一個進程訪問。正好，信號量就實現了這一保護機制。

信號量其實是一個整型的計數器，主要用于實現進程間的互斥與同步，而不是用于緩存進程間通信的數據。

控制信號量的方式有兩種原子操作 ：

一個是 P 操作，這個操作會把信號量減去 -1，相減后如果信號量 < 0，則表明資源已被占用，進程需阻塞等待；相減后如果信號量 >= 0，則表明還有資源可使用，進程可正常繼續執行。
另一個是 V 操作，這個操作會把信號量加上 1，相加后如果信號量 <= 0，則表明當前有阻塞中的進程，于是會將該進程喚醒運行；相加后如果信號量 > 0，則表明當前沒有阻塞中的進程；

P 操作是用在進入共享資源之前，V 操作是用在離開共享資源之后，這兩個操作是必須成對出現的 。

兩個進程互斥訪問共享內存，我們可以初始化信號量為 1。

進程 A 在訪問共享內存前，先執行了 P 操作，由于信號量的初始值為 1，故在進程 A 執行 P 操作后信號量變為 0，表示共享資源可用，于是進程 A 就可以訪問共享內存。
若此時，進程 B 也想訪問共享內存，執行了 P 操作，結果信號量變為了 -1，這就意味著臨界資源已被占用，因此進程 B 被阻塞。
直到進程 A 訪問完共享內存，才會執行 V 操作，使得信號量恢復為 0，接著就會喚醒阻塞中的線程 B，使得進程 B 可以訪問共享內存，最后完成共享內存的訪問后，執行 V 操作，使信號量恢復到初始值 1。
信號初始化為 1，就代表著是互斥信號量，它可以保證共享內存在任何時刻只有一個進程在訪問，這就很好的保護了共享內存。

進程 A 是負責生產數據，而進程 B 是負責讀取數據，這兩個進程是相互合作、相互依賴的，進程 A 必須先生產了數據，進程 B 才能讀取到數據，所以執行是有前后順序的。

信號量來實現多進程同步的方式，我們可以初始化信號量為 0。

如果進程 B 比進程 A 先執行了，那么執行到 P 操作時，由于信號量初始值為 0，故信號量會變為 -1，表示進程 A 還沒生產數據，于是進程 B 就阻塞等待；
接著，當進程 A 生產完數據后，執行了 V 操作，就會使得信號量變為 0，于是就會喚醒阻塞在 P 操作的進程 B；
最后，進程 B 被喚醒后，意味著進程 A 已經生產了數據，于是進程 B 就可以正常讀取數據了。

信號

對于異常情況下的工作模式，就需要用「信號」的方式來通知進程。

信號是進程間通信機制中唯一的異步通信機制，因為可以在任何時候發送信號給某一進程，一旦有信號產生，我們就有下面這幾種，用戶進程對信號的處理方式。

用戶進程對信號的處理方式 ：

1.執行默認操作。

2.捕捉信號。 為信號定義一個信號處理函數。當信號發生時，我們就執行相應的信號處理函數

3.忽略信號

Socket

跨網絡與不同主機上的進程之間通信，就需要 Socket 通信了。

鎖

互斥鎖與自旋鎖

加鎖的目的就是保證共享資源在任意時間里，只有一個線程訪問，這樣就可以避免多線程導致共享數據錯亂的問題。

• 互斥鎖加鎖失敗后，線程會釋放 CPU ，給其他線程；

• 自旋鎖加鎖失敗后，線程會忙等待，直到它拿到鎖；

互斥鎖是一種「獨占鎖」，比如當線程 A 加鎖成功后，此時互斥鎖已經被線程 A 獨占了，只要線程 A 沒有釋放手中的鎖，線程 B 加鎖就會失敗，于是就會釋放 CPU 讓給其他線程，既然線程 B 釋放掉了 CPU，自然線程 B 加鎖的代碼就會被阻塞。

互斥鎖加鎖失敗時，會從用戶態陷入到內核態，讓內核幫我們切換線程，雖然簡化了使用鎖的難度，但是存在一定的性能開銷成本。 會有兩次線程上下文切換的成本 。

如果你能確定被鎖住的代碼執行時間很短，就不應該用互斥鎖，而應該選用自旋鎖，否則使用互斥鎖。

自旋鎖 在「用戶態」完成加鎖和解鎖操作，不會主動產生線程上下文切換，所以相比互斥鎖來說，會快一些，開銷也小一些 。

使用自旋鎖的時候，當發生多線程競爭鎖的情況，加鎖失敗的線程會「忙等待」，直到它拿到鎖。

自旋鎖是最比較簡單的一種鎖，一直自旋，利用 CPU 周期，直到鎖可用。需要注意，在單核 CPU 上，需要搶占式的調度器（即不斷通過時鐘中斷一個線程，運行其他線程）。否則，自旋鎖在單 CPU 上無法使用，因為一個自旋的線程永遠不會放棄 CPU。

讀寫鎖

讀寫鎖適用于能明確區分讀操作和寫操作的場景。

讀寫鎖從字面意思我們也可以知道，它由「讀鎖」和「寫鎖」兩部分構成，如果只讀取共享資源用「讀鎖」加鎖，如果要修改共享資源則用「寫鎖」加鎖。

讀寫鎖的工作原理是：

當「寫鎖」沒有被線程持有時，多個線程能夠并發地持有讀鎖。
但是，一旦「寫鎖」被線程持有后，讀線程的獲取讀鎖的操作會被阻塞，而且其他寫線程的獲取寫鎖的操作也會被阻塞。
讀寫鎖在讀多寫少的場景，能發揮出優勢。

讀寫鎖可以分為「讀優先鎖」和「寫優先鎖」。

「讀優先鎖」

當讀線程 A 先持有了讀鎖，寫線程 B 在獲取寫鎖的時候，會被阻塞，并且在阻塞過程中，后續來的讀線程 C 仍然可以成功獲取讀鎖，最后直到讀線程 A 和 C 釋放讀鎖后，寫線程 B 才可以成功獲取寫鎖。

「寫優先鎖」

當讀線程 A 先持有了讀鎖，寫線程 B 在獲取寫鎖的時候，會被阻塞，并且在阻塞過程中，后續來的讀線程 C 獲取讀鎖時會失敗，于是讀線程 C 將被阻塞在獲取讀鎖的操作，這樣只要讀線程 A 釋放讀鎖后，寫線程 B 就可以成功獲取讀鎖。

「公平讀寫鎖」

公平讀寫鎖比較簡單的一種方式是：用隊列把獲取鎖的線程排隊，不管是寫線程還是讀線程都按照先進先出的原則加鎖即可，這樣讀線程仍然可以并發，也不會出現「饑餓」的現象。

樂觀鎖與悲觀鎖

互斥鎖、自旋鎖、讀寫鎖，都是屬于悲觀鎖 。

悲觀鎖做事比較悲觀，它認為多線程同時修改共享資源的概率比較高，于是很容易出現沖突，所以訪問共享資源前，先要上鎖。

那相反的，如果多線程同時修改共享資源的概率比較低，就可以采用樂觀鎖。

樂觀鎖做事比較樂觀，它假定沖突的概率很低，它的工作方式是：先修改完共享資源，再驗證這段時間內有沒有發生沖突，如果沒有其他線程在修改資源，那么操作完成，如果發現有其他線程已經修改過這個資源，就放棄本次操作。

樂觀鎖全程并沒有加鎖，所以它也叫無鎖編程。

只有在沖突概率非常低，且加鎖成本非常高的場景時，才考慮使用樂觀鎖。

死鎖

當線程A持有一個資源A，正在等待獲取資源B；而線程B持有資源B，卻在等待獲取資源A，死鎖就產生了。

產生條件：

• 互斥：多個線程對于需要的資源進行互斥的訪問（生產者和消費者競爭一個mutex鎖）
• 非搶占：線程在競爭到資源后，不能被搶占（消費者搶到mutex，迫使生產者等待）
• 持有并等待：線程在競爭中持有了資源，同時有在等待其他資源。（消費者獲得mutex鎖后，等待生產者的sem_post(&not_empty)）
• 環路等待：線程之間存在一個環路，環路上每個線程都負責控制一個資源，但這個資源又是下一個線程所要申請的。

方法一 . 破壞互斥條件

如果我們能在兩個線程跑之前，能給每個線程單獨拷貝一份資源AB的副本，就能有效的避免死鎖了 。

方法二. 破壞環路等待條件

可以強制規定任何線程取資源的順序只能是 “先取A再取B”的話，就能避免死鎖了 .

方法三.破壞不剝奪條件

除非線程自己還資源，否則線程會一直占有資源，是形成不可剝奪條件的原因 。 可以通過設置一個”最長占用時間“的閾值來解決這個問題 。如果過了10分鐘仍然沒有進入下一個步驟，則歸還已有的資源。

方法四.破壞請求和保持條件

這里我們可以通過規定在任何情況下，一個線程獲取一個資源之后，必須歸還了資源之后才能請求另一個資源，就可以有效解決這個問題。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《操作系统知识点整理》的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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