《互斥同步與通訊》課件

互斥同步與通訊探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中多個(gè)進(jìn)程或線程之間的同步與通信機(jī)制,包括互斥鎖、信號(hào)量、消息隊(duì)列等常見(jiàn)方法。了解并掌握這些基本概念對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編程至關(guān)重要。JYbyJacobYan課程介紹課堂教學(xué)本課程將通過(guò)課堂互動(dòng)授課的形式,系統(tǒng)地講解操作系統(tǒng)中的進(jìn)程同步與通信機(jī)制。動(dòng)手練習(xí)學(xué)生將在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中編寫(xiě)代碼,親身體驗(yàn)進(jìn)程同步與通信的各種問(wèn)題和解決方案。小組交流學(xué)生將組成小組,討論課程中涉及的重點(diǎn)問(wèn)題,增進(jìn)對(duì)知識(shí)的理解。同步與互斥的概念同步多個(gè)進(jìn)程/線程需要協(xié)調(diào)好時(shí)間先后關(guān)系,以確保數(shù)據(jù)的正確性和完整性?；コ馊魏螘r(shí)刻只允許一個(gè)進(jìn)程/線程訪問(wèn)共享資源,避免資源競(jìng)爭(zhēng)和數(shù)據(jù)不一致。協(xié)調(diào)通過(guò)同步和互斥,多個(gè)進(jìn)程/線程可以有序地訪問(wèn)共享資源,避免沖突。進(jìn)程的同步問(wèn)題1發(fā)生的情況當(dāng)多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)共享資源時(shí),如果不加以同步控制,將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和系統(tǒng)崩潰。2同步要求進(jìn)程間必須達(dá)成同步一致,避免資源爭(zhēng)搶和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。3同步措施使用互斥機(jī)制、信號(hào)量、管程等方法實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步與協(xié)作。進(jìn)程同步是操作系統(tǒng)的核心問(wèn)題之一。當(dāng)多個(gè)進(jìn)程并發(fā)訪問(wèn)共享資源時(shí),如果不加以同步控制,就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和系統(tǒng)崩潰。因此,實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步協(xié)調(diào)是非常重要的,需要采取互斥、信號(hào)量等特殊機(jī)制來(lái)確保資源訪問(wèn)的正確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；コ馀c同步機(jī)制互斥互斥指的是對(duì)共享資源的獨(dú)占使用,確保同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)和修改該資源。互斥通過(guò)加鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn),確保資源的一致性和完整性。同步同步是指多個(gè)進(jìn)程或線程之間的協(xié)調(diào)工作,確保它們以正確的順序執(zhí)行。同步通過(guò)信號(hào)量、事件等機(jī)制實(shí)現(xiàn),保證進(jìn)程之間的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)的正確性。差異互斥是為了保護(hù)共享資源的獨(dú)占使用,而同步是為了協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行順序?；コ獯_保資源的一致性,同步確保進(jìn)程之間的協(xié)調(diào)性。應(yīng)用互斥和同步機(jī)制廣泛應(yīng)用于操作系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)等需要并發(fā)執(zhí)行的場(chǎng)景,確保系統(tǒng)的正確性和可靠性。信號(hào)量的使用信號(hào)量簡(jiǎn)介信號(hào)量是一種用于進(jìn)程同步和互斥的機(jī)制,它允許多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)共享資源。信號(hào)量的操作信號(hào)量通過(guò)wait()和signal()兩個(gè)原子操作來(lái)控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)。信號(hào)量分類(lèi)信號(hào)量分為二進(jìn)制信號(hào)量(二值信號(hào)量)和計(jì)數(shù)信號(hào)量,滿足不同同步需求。信號(hào)量應(yīng)用信號(hào)量可用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題、哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題等同步問(wèn)題的解決。生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題1生產(chǎn)生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品2緩存使用緩沖區(qū)臨時(shí)存儲(chǔ)產(chǎn)品3消費(fèi)消費(fèi)者從緩沖區(qū)取出并使用產(chǎn)品生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題是一個(gè)典型的進(jìn)程同步問(wèn)題。生產(chǎn)者和消費(fèi)者通過(guò)共享緩沖區(qū)進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)。當(dāng)緩沖區(qū)為空時(shí),消費(fèi)者需要等待生產(chǎn)者生產(chǎn);當(dāng)緩沖區(qū)已滿時(shí),生產(chǎn)者需要等待消費(fèi)者消費(fèi)。這需要使用互斥鎖和信號(hào)量等機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的同步。哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題哲學(xué)家回家用餐五個(gè)哲學(xué)家回到房間中共享一個(gè)環(huán)形餐桌，每個(gè)人手邊都有一把叉子。需要兩把叉子進(jìn)餐每個(gè)哲學(xué)家都必須同時(shí)擁有左右兩把叉子才能開(kāi)始進(jìn)餐。叉子資源有限由于叉子數(shù)量有限,如果所有人同時(shí)試圖拿取叉子,就會(huì)發(fā)生死鎖。設(shè)計(jì)同步機(jī)制需要通過(guò)互斥機(jī)制解決這一資源爭(zhēng)奪問(wèn)題,確保每個(gè)哲學(xué)家都能安全進(jìn)餐。讀者-寫(xiě)者問(wèn)題1讀者優(yōu)先在讀者-寫(xiě)者問(wèn)題中,讀者有優(yōu)先訪問(wèn)權(quán)限,寫(xiě)者必須等待讀者操作完成后才能進(jìn)行寫(xiě)入。這確保了數(shù)據(jù)的一致性和完整性。2寫(xiě)者排隊(duì)如果有多個(gè)寫(xiě)者同時(shí)請(qǐng)求訪問(wèn),他們會(huì)被安排成一個(gè)隊(duì)列,依次執(zhí)行寫(xiě)入操作。這種機(jī)制避免了寫(xiě)者之間的沖突。3讀者互不干擾多個(gè)讀者可以同時(shí)進(jìn)行讀取操作,不會(huì)相互影響。這確保了讀取效率,同時(shí)也避免了讀者之間的爭(zhēng)用。內(nèi)核與用戶態(tài)進(jìn)程1內(nèi)核態(tài)內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心部分,負(fù)責(zé)管理硬件資源和提供基本服務(wù)。內(nèi)核運(yùn)行在最高特權(quán)級(jí),可以直接訪問(wèn)硬件。2用戶態(tài)用戶進(jìn)程運(yùn)行在較低特權(quán)級(jí),受到內(nèi)核的嚴(yán)格控制。它們只能通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)訪問(wèn)受保護(hù)的資源。3狀態(tài)切換當(dāng)用戶進(jìn)程需要訪問(wèn)受保護(hù)資源時(shí),會(huì)觸發(fā)內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的切換,以確保安全性和穩(wěn)定性。4性能影響頻繁的內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)切換會(huì)給系統(tǒng)性能帶來(lái)一定的開(kāi)銷(xiāo),需要合理設(shè)計(jì)以提高效率。內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)切換1進(jìn)入內(nèi)核態(tài)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核控制2執(zhí)行內(nèi)核操作內(nèi)核完成系統(tǒng)調(diào)用所需的工作3退出內(nèi)核態(tài)將控制權(quán)轉(zhuǎn)回用戶態(tài)進(jìn)程操作系統(tǒng)會(huì)在用戶態(tài)進(jìn)程與內(nèi)核態(tài)之間進(jìn)行頻繁切換。進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)后，內(nèi)核會(huì)執(zhí)行所需的操作并返回用戶態(tài)。這種切換發(fā)生在進(jìn)程需要訪問(wèn)硬件或內(nèi)核資源的時(shí)候，確保了用戶進(jìn)程的安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)調(diào)用及其實(shí)現(xiàn)1系統(tǒng)調(diào)用概念系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核交互的主要方式,用于請(qǐng)求內(nèi)核提供服務(wù)。2系統(tǒng)調(diào)用流程程序通過(guò)陷入指令觸發(fā)系統(tǒng)調(diào)用,操作系統(tǒng)內(nèi)核負(fù)責(zé)處理并返回結(jié)果。3系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)傳遞應(yīng)用程序?qū)?shù)壓入棧,內(nèi)核通過(guò)寄存器或棧來(lái)獲取參數(shù)。4系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)機(jī)制通過(guò)注冊(cè)中斷服務(wù)程序和陷入指令來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的具體實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程核心概念系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程是操作系統(tǒng)內(nèi)核中用于處理各種系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求的代碼部分。它負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶程序發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求。功能流程當(dāng)用戶程序需要使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)時(shí)，會(huì)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核態(tài)。系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程接收并分析請(qǐng)求,然后調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)完成操作。實(shí)現(xiàn)機(jī)制系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程通常通過(guò)軟件中斷或異常機(jī)制進(jìn)入內(nèi)核,并利用內(nèi)存保護(hù)機(jī)制隔離用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。性能優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程需要高效處理大量的系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求,因此代碼實(shí)現(xiàn)上需要注重性能優(yōu)化。進(jìn)程間通信概述多進(jìn)程協(xié)作進(jìn)程間通信可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交互和協(xié)作,提高系統(tǒng)的整體效率。數(shù)據(jù)共享通過(guò)進(jìn)程間通信,多個(gè)進(jìn)程可以共享數(shù)據(jù)和資源,避免重復(fù)計(jì)算和存儲(chǔ)。解耦和異步進(jìn)程間通信可以實(shí)現(xiàn)解耦和異步執(zhí)行,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可擴(kuò)展性。關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)程間通信的關(guān)鍵技術(shù)包括管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、信號(hào)量等。管道通信機(jī)制1創(chuàng)建管道操作系統(tǒng)提供管道機(jī)制,進(jìn)程可以通過(guò)管道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2讀寫(xiě)管道一個(gè)進(jìn)程往管道寫(xiě)入數(shù)據(jù),另一個(gè)進(jìn)程從管道讀取數(shù)據(jù)。3管道特點(diǎn)管道是半雙工的單向數(shù)據(jù)傳輸通道,有先進(jìn)先出特性。4管道限制管道容量有限,讀寫(xiě)進(jìn)程必須同步協(xié)調(diào),不同進(jìn)程間通信。管道機(jī)制是最簡(jiǎn)單最基礎(chǔ)的進(jìn)程間通信方式之一,它采用半雙工單向數(shù)據(jù)流傳輸?shù)姆绞?通過(guò)管道緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。管道擁有先進(jìn)先出的特點(diǎn),并且容量有限,要求讀寫(xiě)進(jìn)程保持同步。它通常用于簡(jiǎn)單的父子進(jìn)程間通信。消息隊(duì)列通信創(chuàng)建消息隊(duì)列進(jìn)程可以創(chuàng)建消息隊(duì)列，用以存儲(chǔ)等待被其他進(jìn)程接收的消息。發(fā)送消息進(jìn)程向消息隊(duì)列中添加消息，等待其他進(jìn)程讀取。接收消息進(jìn)程從消息隊(duì)列中讀取消息，可以選擇立即讀取或等待新消息。管理消息隊(duì)列系統(tǒng)提供接口控制消息隊(duì)列的屬性，如最大消息數(shù)、消息大小等。信號(hào)量通信1原理信號(hào)量是一種用于控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源訪問(wèn)的機(jī)制。通過(guò)設(shè)置信號(hào)量的初始值和對(duì)其的加減操作來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步。2操作信號(hào)量提供兩種基本操作:P(wait)和V(signal)。P操作減少信號(hào)量值,V操作增加信號(hào)量值。3應(yīng)用信號(hào)量可用于解決生產(chǎn)者-消費(fèi)者、哲學(xué)家進(jìn)餐等經(jīng)典同步問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間有序訪問(wèn)共享資源。共享內(nèi)存通信1內(nèi)存映射進(jìn)程將文件或設(shè)備映射到內(nèi)存中2讀寫(xiě)共享多進(jìn)程可同時(shí)訪問(wèn)共享內(nèi)存3信號(hào)量同步使用信號(hào)量控制進(jìn)程訪問(wèn)共享內(nèi)存共享內(nèi)存通信是一種高效的進(jìn)程間通信方式。進(jìn)程通過(guò)將文件或設(shè)備映射到內(nèi)存中實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)共享。為了避免競(jìng)爭(zhēng)條件,需要使用信號(hào)量進(jìn)行同步控制。這種方式數(shù)據(jù)傳輸效率高,但需要額外的同步機(jī)制來(lái)保證進(jìn)程安全訪問(wèn)共享內(nèi)存。遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用1定義遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用是一種跨網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程間通信機(jī)制。2工作原理客戶端將調(diào)用請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)端,服務(wù)端執(zhí)行并返回結(jié)果。3優(yōu)點(diǎn)提供了透明的分布式計(jì)算機(jī)編程環(huán)境。4應(yīng)用場(chǎng)景分布式系統(tǒng)、服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)、微服務(wù)等。遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用是一種跨網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程間通信機(jī)制。它允許客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將調(diào)用請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)端,服務(wù)端執(zhí)行操作并返回結(jié)果,從而提供了一種透明的分布式計(jì)算機(jī)編程環(huán)境。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于分布式系統(tǒng)、服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)和微服務(wù)架構(gòu)等場(chǎng)景。套接字通信概念基礎(chǔ)概念套接字是進(jìn)程間通信的一種編程接口,它提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的方式來(lái)訪問(wèn)底層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通信流程套接字通信包括建立連接、數(shù)據(jù)收發(fā)、連接關(guān)閉等步驟,并提供事件通知機(jī)制用于監(jiān)控通信狀態(tài)。典型應(yīng)用套接字廣泛應(yīng)用于客戶端-服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)程序,如Web瀏覽器、聊天應(yīng)用等,實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信。TCP/IP基礎(chǔ)知識(shí)TCP/IP協(xié)議棧TCP/IP協(xié)議棧由四個(gè)層次組成,分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。每一層都有特定的功能和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。IP地址IP地址是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上的唯一標(biāo)識(shí),分為IPv4和IPv6兩種格式。IP地址由網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)兩部分組成。TCP連接建立TCP采用三次握手建立可靠的連接?？蛻舳税l(fā)送SYN報(bào)文,服務(wù)器回應(yīng)SYN-ACK報(bào)文,客戶端最后發(fā)送ACK報(bào)文完成連接。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信采用報(bào)文的方式傳輸。報(bào)文包括報(bào)文頭和報(bào)文體兩部分,報(bào)文頭中包含各層協(xié)議所需要的控制信息。TCP套接字通信1連接建立通過(guò)三次握手協(xié)議建立TCP連接,確保雙方準(zhǔn)備好接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。2數(shù)據(jù)傳輸在連接建立后,雙方可以在連接上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。采用可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。3連接終止通過(guò)四次揮手協(xié)議來(lái)安全地關(guān)閉TCP連接,確保雙方都能完成數(shù)據(jù)傳輸。UDP套接字通信定義與特點(diǎn)UDP（UserDatagramProtocol）是一種無(wú)連接的、不可靠的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸協(xié)議,不需要建立連接即可傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)DP將數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)報(bào),每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都包含源地址和目的地址信息,獨(dú)立進(jìn)行傳輸。應(yīng)用場(chǎng)景UDP適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高、但可靠性要求較低的場(chǎng)景,如視頻會(huì)議、在線游戲等。實(shí)現(xiàn)方式通過(guò)創(chuàng)建UDP套接字,使用sendto()和recvfrom()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。域名系統(tǒng)DNS域名解析過(guò)程DNS系統(tǒng)將人類(lèi)可讀的域名解析為機(jī)器可讀的IP地址,確?；ヂ?lián)網(wǎng)通信順暢進(jìn)行。這個(gè)過(guò)程涉及多個(gè)DNS服務(wù)器的層層查詢。層級(jí)DNS服務(wù)器域名系統(tǒng)采用分層的DNS服務(wù)器架構(gòu),包括根域名服務(wù)器、頂級(jí)域名服務(wù)器和DNS解析服務(wù)器,協(xié)作完成域名解析。緩存與負(fù)載均衡DNS服務(wù)器會(huì)緩存已解析的域名,提高解析效率。當(dāng)服務(wù)器負(fù)載過(guò)高時(shí),還會(huì)采用負(fù)載均衡技術(shù)分散請(qǐng)求壓力。DHCP協(xié)議工作原理動(dòng)態(tài)分配IP地址DHCP協(xié)議能夠自動(dòng)為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配IP地址,無(wú)需手動(dòng)配置,提高了網(wǎng)絡(luò)管理效率。簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)部署DHCP服務(wù)器集中管理IP地址池,無(wú)需在每臺(tái)設(shè)備上配置IP地址和其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。自動(dòng)獲取配置信息設(shè)備通過(guò)DHCP協(xié)議自動(dòng)獲取IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等必要的網(wǎng)絡(luò)配置信息。Web工作原理1客戶端-服務(wù)器架構(gòu)Web基于客戶端-服務(wù)器的工作模式,客戶端發(fā)起請(qǐng)求,服務(wù)器響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)。2HTTP協(xié)議通信客戶端與服務(wù)器之間使用HTTP協(xié)議進(jìn)行請(qǐng)求和響應(yīng)的數(shù)據(jù)交互。3資源定位與訪問(wèn)通過(guò)URL地址可以定位服務(wù)器上的各種資源,并通過(guò)HTTP請(qǐng)求獲取資源內(nèi)容。4動(dòng)態(tài)內(nèi)容生成服務(wù)器可以根據(jù)用戶請(qǐng)求動(dòng)態(tài)生成HTML頁(yè)面內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)交互式的Web應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)安全概述網(wǎng)絡(luò)威脅包括病毒、黑客攻擊、數(shù)據(jù)泄露等危害網(wǎng)絡(luò)安全的各種威脅。防護(hù)措施通過(guò)防火墻、加密、權(quán)限管理等手段來(lái)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全。系統(tǒng)漏洞軟硬件中存在的安全隱患,需要及時(shí)修補(bǔ)以防止被利用。合規(guī)性遵守相關(guān)法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),確保網(wǎng)絡(luò)安全符合監(jiān)管要求。網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施物理防護(hù)加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實(shí)體物理防護(hù),包括防盜、防破壞、防侵入等措施,確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全。技術(shù)防護(hù)部署防火墻、入侵檢測(cè)/預(yù)防系統(tǒng)、反病毒軟件等,對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行有效監(jiān)控和管控,阻止非法訪問(wèn)和攻擊。管理防護(hù)制定完善的網(wǎng)絡(luò)安全管理制度和應(yīng)急預(yù)案,定期進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全審核,及時(shí)修補(bǔ)漏洞,提高員工的安全意識(shí)和防護(hù)能力。法律防護(hù)建立健全的網(wǎng)絡(luò)安全法律法規(guī)體系,加大對(duì)網(wǎng)絡(luò)犯罪的打擊力度,為網(wǎng)絡(luò)安全提供有力的法律保障。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議攻防技術(shù)協(xié)議漏洞利用黑客利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的安全漏洞來(lái)發(fā)起攻擊,如緩沖區(qū)溢出、SQL注入等。掌握這些攻擊技術(shù)可以檢測(cè)和修補(bǔ)系統(tǒng)漏洞。DDoS攻擊分布式拒絕服務(wù)攻擊