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操作系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)

developerworks / 2708人閱讀

摘要：操作系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)臨界資源保護(hù)臨界資源進(jìn)行通信線程間同步互斥量和讀寫鎖自旋鎖條件變量進(jìn)程間同步共享內(nèi)存域套接字重要概念用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)上下文切換協(xié)程線程同步之互斥量互斥量鎖可以保證多線程的指令按順序執(zhí)行，避免兩個(gè)線程的指令交叉執(zhí)行即原子性原子性是指

操作系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn) 臨界資源 
保護(hù)臨界資源/進(jìn)行通信

線程間同步

互斥量和 讀寫鎖 自旋鎖 條件變量

進(jìn)程間同步

共享內(nèi)存 域套接字

重要概念

用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)

上下文切換

協(xié)程

線程同步之互斥量

互斥量（鎖）可以保證多線程的指令按順序執(zhí)行，避免兩個(gè)線程的指令交叉執(zhí)行（即 原子性）

原子性是指一系列操作指令不可被中斷執(zhí)行，要么全部執(zhí)行，要么全部沒(méi)有執(zhí)行，不存在部分執(zhí)行的情況

互斥量是最簡(jiǎn)單的線程同步的方法

互斥量（互斥鎖）是處于兩態(tài)之一的變量： 解鎖 和 加鎖

兩個(gè)狀態(tài)可以保證資源訪問(wèn)的串行

操作系統(tǒng)直接提供了互斥量的API，可使用API完成資源的加鎖，解鎖的操作


pthread_mutex_t
線程同步之自旋鎖

自旋轉(zhuǎn)也是一種多線程同步的變量

使用自旋轉(zhuǎn)的線程會(huì)反復(fù)檢查鎖的變量是否可用

自旋轉(zhuǎn)不會(huì)讓出CPU，是一種忙等待 的狀態(tài) （死循環(huán)等待鎖被釋放）

自旋鎖避免了進(jìn)程或線程的**上下文切換**的開(kāi)銷


操作系統(tǒng)內(nèi)部很多地方使用的是自旋鎖
自旋鎖不適合在單核CPU使用


pthread_spinlock_t
線程同步之讀寫鎖 
當(dāng)臨界資源屬于 多讀少寫 的情況，可以采用效率更高的同步方法：讀寫鎖 讀多寫少場(chǎng)景相比互斥量性能提出幾倍

讀寫鎖是一種特殊的 自旋鎖

允許多個(gè)讀者同時(shí)訪問(wèn)資源以提高讀性能（讀 不改變臨界資源的值）

對(duì)于寫操作則是 互斥 的

pthread_rwlock_t
pthread_relock_rdlock
pthread_rwlock_wrlock
線程同步之條件變量 
在生產(chǎn)消費(fèi)場(chǎng)景中面臨以下情況
1 緩沖區(qū)小于0時(shí)，不允許消費(fèi)者消費(fèi)，消費(fèi)者必須等待
2    緩沖區(qū)滿時(shí)，不允許生產(chǎn)者往緩沖區(qū)生產(chǎn)，生產(chǎn)者必須等待
當(dāng)生產(chǎn)者生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，喚醒可能等待的消費(fèi)者
當(dāng)消費(fèi)者消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，喚醒可能等待的生產(chǎn)者


pthread_cond_t  配合 互斥量（鎖）使用
pthread_cond_wait
pthread_cond_signal

條件變量是一種相對(duì)復(fù)雜的線程同步方法

條件變量允許線程睡眠，直到滿足某種條件

當(dāng)滿足條件時(shí)，可以向該線程信號(hào)，通知喚醒

線程同步方法總結(jié)

1 互斥鎖 最簡(jiǎn)單的線程同步方法，會(huì)阻塞線程
2 自旋鎖 避免上下文切換的一種線程同步方法，屬性忙等待CPU
3 讀寫鎖 為多讀少寫的資源設(shè)計(jì)的線程同步方法，顯著提高性能
4 條件變量 相對(duì)復(fù)雜的多線程同步方法，配合互斥量，更靈活的使用場(chǎng)景

使用fork系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建進(jìn)程 
java python 等語(yǔ)言底層也是通過(guò)fork 創(chuàng)建進(jìn)程

fork系統(tǒng)調(diào)用是用于創(chuàng)建進(jìn)程的

fork創(chuàng)建的進(jìn)程初始狀態(tài)與父進(jìn)程一樣

系統(tǒng)會(huì)為fork的進(jìn)程分配新的資源

fork系統(tǒng)調(diào)用無(wú)參數(shù) fork會(huì)返回兩次 ，分別是子進(jìn)程id 和 0

進(jìn)程同步之共享內(nèi)存

進(jìn)程的線程共享進(jìn)程資源，理論上進(jìn)程之間由于操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理機(jī)制（進(jìn)程-頁(yè)表-物理內(nèi)存），進(jìn)程間的內(nèi)存空間是相互獨(dú)立的，（進(jìn)程默認(rèn)是不能訪問(wèn)進(jìn)程空間之外的內(nèi)存空間）但進(jìn)程可以通過(guò)共享內(nèi)存打破這樣的限制

共享存儲(chǔ)允許不相關(guān)的進(jìn)程訪問(wèn)同一片物理內(nèi)存

共享存儲(chǔ)是兩個(gè)進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)最快的一種方式

共享內(nèi)存未提供同步機(jī)制，需要借助其他機(jī)制管理訪問(wèn)

共內(nèi)存是高性能后臺(tái)開(kāi)發(fā)中最常用的進(jìn)程同步方式
共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)流程

1 申請(qǐng)共享內(nèi)存
2 連接到進(jìn)程空間
3 使用共享內(nèi)存
4 脫離進(jìn)程空間&刪除

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