操作系統(tǒng)第7講new

第七講進(jìn)程通信\線程2023/2/315:27本次課程主要內(nèi)容進(jìn)程通信進(jìn)程通信的類型、實(shí)現(xiàn)方法消息傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的問題消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制線程線程的概念線程的實(shí)現(xiàn)方式2023/2/315:2722.5進(jìn)程間通信2023/2/315:2732.5.1進(jìn)程通信的類型2023/2/315:2741．共享存儲器系統(tǒng)(1)基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式。(2)基于共享存儲區(qū)的通信方式。2023/2/315:2752．消息傳遞系統(tǒng)

消息傳遞系統(tǒng)(Messagepassingsystem)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種進(jìn)程間的通信機(jī)制。在該機(jī)制中，進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換是以格式化的消息(message)為單位的；在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，又把message稱為報文。Windows窗口消息2023/2/315:276Windows通訊接口2023/2/315:2772023/2/315:2783．管道通信所謂“管道”，是指用于連接一個讀進(jìn)程和一個寫進(jìn)程以實(shí)現(xiàn)它們之間通信的一個共享文件，又名pipe文件。向管道(共享文件)提供輸入的發(fā)送進(jìn)程(即寫進(jìn)程)，以字符流形式將大量的數(shù)據(jù)送入管道；而接受管道輸出的接收進(jìn)程(即讀進(jìn)程)，則從管道中接收(讀)數(shù)據(jù)。Linux管道通信2023/2/315:2792023/2/315:27102.5.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法

1．直接通信方式

這是指發(fā)送進(jìn)程利用OS所提供的發(fā)送命令，直接把消息發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程。此時，要求發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程都以顯式方式提供對方的標(biāo)識符。通常，系統(tǒng)提供下述兩條通信命令。2023/2/315:2711Send(Receiver，message)；發(fā)送一個消息給接收進(jìn)程；Receive(Sender，message)；接收Sender發(fā)來的消息；例如，原語Send(P2，m1)表示將消息m1發(fā)送給接收進(jìn)程P2；而原語Receive(P1，m1)則表示接收由P1發(fā)來的消息m1。2023/2/315:27122．間接通信方式間接通信方式指進(jìn)程之間的通信需要通過作為共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)體。該實(shí)體用來暫存發(fā)送進(jìn)程發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程的消息；接收進(jìn)程則從該實(shí)體中取出對方發(fā)送給自己的消息。這種中間實(shí)體稱為信箱。2023/2/315:2713系統(tǒng)為信箱通信提供了若干條原語，分別用于信箱的創(chuàng)建、撤消和消息的發(fā)送、接收等。

(1)信箱的創(chuàng)建和撤消。(2)消息的發(fā)送和接收。Send(mailbox，message)將一個消息發(fā)送到指定信箱；Receive(mailbox，message)從指定信箱中接收一個消息；2023/2/315:27142.5.4消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制

在操作系統(tǒng)空間設(shè)置一組緩沖區(qū)，當(dāng)發(fā)送進(jìn)程需要發(fā)送消息時，執(zhí)行send系統(tǒng)調(diào)用，產(chǎn)生自愿性中斷，進(jìn)入操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為發(fā)送進(jìn)程分配一個空緩沖區(qū)，并將所發(fā)送的消息從發(fā)送進(jìn)程copy到緩沖區(qū)中，然后將該載有消息的緩沖區(qū)連接到接收進(jìn)程的消息鏈鏈尾，如此就完成了發(fā)送過程。發(fā)送進(jìn)程返回到用戶態(tài)繼續(xù)執(zhí)行。2.6線程2023/2/315:27152.6.1線程的基本概念2023/2/315:27162023/2/315:27171．線程的引入如果說，在操作系統(tǒng)中引入進(jìn)程的目的，是為了使多個程序能并發(fā)執(zhí)行，以提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，在操作系統(tǒng)中再引入線程，則是為了減少程序在并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷，使OS具有更好的并發(fā)性。2023/2/315:2718

回顧進(jìn)程的兩個基本屬性:①進(jìn)程是一個可擁有資源的獨(dú)立單位；②進(jìn)程同時又是一個可獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。

正是由于進(jìn)程有這兩個基本屬性，才使之成為一個能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，從而也就構(gòu)成了進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的基礎(chǔ)。2023/2/315:2719

為使程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)還必須進(jìn)行以下的一系列操作。1)創(chuàng)建進(jìn)程系統(tǒng)在創(chuàng)建一個進(jìn)程時，必須為它分配其所必需的、除處理機(jī)以外的所有資源，如內(nèi)存空間、I/O設(shè)備，以及建立相應(yīng)的PCB。2)撤消進(jìn)程系統(tǒng)在撤消進(jìn)程時，又必須先對其所占有的資源執(zhí)行回收操作，然后再撤消PCB。2023/2/315:27203)進(jìn)程切換對進(jìn)程進(jìn)行切換時，由于要保留當(dāng)前進(jìn)程的CPU環(huán)境和設(shè)置新選中進(jìn)程的CPU環(huán)境，因而須花費(fèi)不少的處理機(jī)時間

能將進(jìn)程的兩個屬性分開，由操作系統(tǒng)分開處理，亦即對于作為調(diào)度和分派的基本單位，不同時作為擁有資源的單位，以做到“輕裝上陣”。2023/2/315:27212023/2/315:2722調(diào)度并發(fā)性擁有資源系統(tǒng)開銷2．線程與進(jìn)程的比較在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，作為擁有資源的基本單位和獨(dú)立調(diào)度、分派的基本單位都是進(jìn)程。而在引入線程的操作系統(tǒng)中，則把線程作為調(diào)度和分派的基本單位，而進(jìn)程作為資源擁有的基本單位2023/2/315:2723調(diào)度并發(fā)性擁有資源系統(tǒng)開銷2．線程與進(jìn)程的比較在引入線程的操作系統(tǒng)中，不僅進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行，而且在一個進(jìn)程中的多個線程之間亦可并發(fā)執(zhí)行，使得操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性，從而能更加有效地提高系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的吞吐量。2023/2/315:2724調(diào)度并發(fā)性擁有資源系統(tǒng)開銷2．線程與進(jìn)程的比較進(jìn)程都可以擁有資源，是系統(tǒng)中擁有資源的一個基本單位。一般而言，線程自己不擁有系統(tǒng)資源(也有一點(diǎn)必不可少的資源)，但它可以訪問其隸屬進(jìn)程的資源，已打開的文件、I/O設(shè)備等2023/2/315:2725調(diào)度并發(fā)性擁有資源系統(tǒng)開銷2．線程與進(jìn)程的比較在創(chuàng)建或撤消進(jìn)程時，操作系統(tǒng)所付出的開銷明顯大于線程創(chuàng)建或撤消時的開銷。類似地，線程的切換則僅需保存和設(shè)置少量寄存器內(nèi)容，不涉及存儲器管理方面的操作，所以就切換代價而言，進(jìn)程也是遠(yuǎn)高于線程的。2023/2/315:27263．線程的屬性輕型實(shí)體。獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位可并發(fā)執(zhí)行。共享進(jìn)程資源。2023/2/315:27272.6.3線程的實(shí)現(xiàn)方式1．內(nèi)核支持線程

無論是用戶進(jìn)程中的線程，還是系統(tǒng)進(jìn)程中的線程，他們的創(chuàng)建、撤消和切換等也是依靠內(nèi)核，在內(nèi)核空間實(shí)現(xiàn)的。此外，在內(nèi)核空間還為每一個內(nèi)核支持線程設(shè)置了一個線程控制塊，內(nèi)核是根據(jù)該控制塊而感知某線程的存在，并對其加以控制。2023/2/315:2728這種線程實(shí)現(xiàn)方式主要有如下四個優(yōu)點(diǎn)：(1)在多處理器系統(tǒng)中，內(nèi)核能夠同時調(diào)度同一進(jìn)程中多個線程并行執(zhí)行；(2)如果進(jìn)程中的一個線程被阻塞了，內(nèi)核可以調(diào)度該進(jìn)程中的其它線程占有處理器運(yùn)行，也可以運(yùn)行其它進(jìn)程中的線程；

(3)內(nèi)核支持線程具有很小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和堆棧，線程的切換比較快，切換開銷??；

(4)內(nèi)核本身也可以采用多線程技術(shù)，可以提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度和效率。2023/2/315:2729內(nèi)核支持線程的主要缺點(diǎn)是：對于用戶的線程切換而言，其模式切換的開銷較大，在同一個進(jìn)程中，從一個線程切換到另一個線程時，需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)進(jìn)行，這是因?yàn)橛脩暨M(jìn)程的線程在用戶態(tài)運(yùn)行，而線程調(diào)度和管理是在內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)開銷較大。2023/2/315:27302．用戶級線程

用戶級線程ULT(UserLevelThreads)僅存在于用戶空間中。對于這種線程的創(chuàng)建、撤消、線程之間的同步與通信等功能，都無須利用系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。對于用戶級線程的切換，通常發(fā)生在一個應(yīng)用進(jìn)程的諸多線程之間，這時，也同樣無須內(nèi)核的支持。由于切換的規(guī)則遠(yuǎn)比進(jìn)程調(diào)度和切換的規(guī)則簡單，因而使線程的切換速度特別快。2023/2/315:2731使用用戶級線程方式有許多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在如下三個方面：

(1)線程切換不需要轉(zhuǎn)換到內(nèi)核空間，對一個進(jìn)程而言，其所有線程的管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均在該進(jìn)程的用戶空間中，管理線程切換的線程庫也在用戶地址空間運(yùn)行。因此，進(jìn)程不必切換到內(nèi)核方式來做線程管理，從而節(jié)省了模式切換的開銷，也節(jié)省了內(nèi)核的寶貴資源。

(2)調(diào)度算法可以是進(jìn)程專用的。在不干擾操作系統(tǒng)調(diào)度的情況下，不同的進(jìn)程可以根據(jù)自身需要，選擇不同的調(diào)度算法對自己的線程進(jìn)行管理和調(diào)度，而與操作系統(tǒng)的低級調(diào)度算法是無關(guān)的。2023/2/315:2732

(3)用戶級線程的實(shí)現(xiàn)與操作系統(tǒng)平臺無關(guān)，因?yàn)閷τ诰€程管理的代碼是在用戶程序內(nèi)的，屬于用戶程序的一部分，所有的應(yīng)用程序都可以對之進(jìn)行共享。因此，用戶級線程甚至可以在不支持線程機(jī)制的操作系統(tǒng)平臺上實(shí)現(xiàn)。2023/2/315:2733用戶級線程實(shí)現(xiàn)方式的主要缺點(diǎn)在于如下兩個方面：

(1)系統(tǒng)調(diào)用的阻塞問題。