操作系統(tǒng)第7講new

第七講進程通信\線程2023/2/315:27本次課程主要內容進程通信進程通信的類型、實現(xiàn)方法消息傳遞系統(tǒng)實現(xiàn)中的問題消息緩沖隊列通信機制線程線程的概念線程的實現(xiàn)方式2023/2/315:2722.5進程間通信2023/2/315:2732.5.1進程通信的類型2023/2/315:2741．共享存儲器系統(tǒng)(1)基于共享數(shù)據(jù)結構的通信方式。(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)是當前應用最為廣泛的一種進程間的通信機制。在該機制中，進程間的數(shù)據(jù)交換是以格式化的消息(message)為單位的；在計算機網絡中，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程和一個寫進程以實現(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)送進程(即寫進程)，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程(即讀進程)，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消息傳遞通信的實現(xiàn)方法

1．直接通信方式

這是指發(fā)送進程利用OS所提供的發(fā)送命令，直接把消息發(fā)送給目標進程。此時，要求發(fā)送進程和接收進程都以顯式方式提供對方的標識符。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程之間的通信需要通過作為共享數(shù)據(jù)結構的實體。該實體用來暫存發(fā)送進程發(fā)送給目標進程的消息；接收進程則從該實體中取出對方發(fā)送給自己的消息。這種中間實體稱為信箱。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消息緩沖隊列通信機制

在操作系統(tǒng)空間設置一組緩沖區(qū)，當發(fā)送進程需要發(fā)送消息時，執(zhí)行send系統(tǒng)調用，產生自愿性中斷，進入操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為發(fā)送進程分配一個空緩沖區(qū)，并將所發(fā)送的消息從發(fā)送進程copy到緩沖區(qū)中，然后將該載有消息的緩沖區(qū)連接到接收進程的消息鏈鏈尾，如此就完成了發(fā)送過程。發(fā)送進程返回到用戶態(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

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

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

為使程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)還必須進行以下的一系列操作。1)創(chuàng)建進程系統(tǒng)在創(chuàng)建一個進程時，必須為它分配其所必需的、除處理機以外的所有資源，如內存空間、I/O設備，以及建立相應的PCB。2)撤消進程系統(tǒng)在撤消進程時，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)進程切換對進程進行切換時，由于要保留當前進程的CPU環(huán)境和設置新選中進程的CPU環(huán)境，因而須花費不少的處理機時間

能將進程的兩個屬性分開，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調度并發(fā)性擁有資源系統(tǒng)開銷2．線程與進程的比較在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，作為擁有資源的基本單位和獨立調度、分派的基本單位都是進程。而在引入線程的操作系統(tǒng)中，則把線程作為調度和分派的基本單位，而進程作為資源擁有的基本單位2023/2/315:2723調度并發(fā)性擁有資源系統(tǒng)開銷2．線程與進程的比較在引入線程的操作系統(tǒng)中，不僅進程之間可以并發(fā)執(zhí)行，而且在一個進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調度并發(fā)性擁有資源系統(tǒng)開銷2．線程與進程的比較進程都可以擁有資源，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(也有一點必不可少的資源)，但它可以訪問其隸屬進程的資源，已打開的文件、I/O設備等2023/2/315:2725調度并發(fā)性擁有資源系統(tǒng)開銷2．線程與進程的比較在創(chuàng)建或撤消進程時，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置少量寄存器內容，不涉及存儲器管理方面的操作，所以就切換代價而言，進程也是遠高于線程的。2023/2/315:27263．線程的屬性輕型實體。獨立調度和分派的基本單位可并發(fā)執(zhí)行。共享進程資源。2023/2/315:27272.6.3線程的實現(xiàn)方式1．內核支持線程

無論是用戶進程中的線程，還是系統(tǒng)進程中的線程，他們的創(chuàng)建、撤消和切換等也是依靠內核，在內核空間實現(xiàn)的。此外，在內核空間還為每一個內核支持線程設置了一個線程控制塊，內核是根據(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這種線程實現(xiàn)方式主要有如下四個優(yōu)點：(1)在多處理器系統(tǒng)中，內核能夠同時調度同一進程中多個線程并行執(zhí)行；(2)如果進程中的一個線程被阻塞了，內核可以調度該進程中的其它線程占有處理器運行，也可以運行其它進程中的線程；

(3)內核支持線程具有很小的數(shù)據(jù)結構和堆棧，線程的切換比較快，切換開銷??；

(4)內核本身也可以采用多線程技術，可以提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度和效率。2023/2/315:2729內核支持線程的主要缺點是：對于用戶的線程切換而言，其模式切換的開銷較大，在同一個進程中，從一個線程切換到另一個線程時，需要從用戶態(tài)轉到內核態(tài)進行，這是因為用戶進程的線程在用戶態(tài)運行，而線程調度和管理是在內核實現(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)調用來實現(xiàn)。對于用戶級線程的切換，通常發(fā)生在一個應用進程的諸多線程之間，這時，也同樣無須內核的支持。由于切換的規(guī)則遠比進程調度和切換的規(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，主要表現(xiàn)在如下三個方面：

(1)線程切換不需要轉換到內核空間，對一個進程而言，其所有線程的管理數(shù)據(jù)結構均在該進程的用戶空間中，管理線程切換的線程庫也在用戶地址空間運行。因此，進程不必切換到內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)省了內核的寶貴資源。

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

(3)用戶級線程的實現(xiàn)與操作系統(tǒng)平臺無關，因為對于線程管理的代碼是在用戶程序內的，屬于用戶程序的一部分，所有的應用程序都可以對之進行共享。因此，用戶級線程甚至可以在不支持線程機制的操作系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)。2023/2/315:2733用戶級線程實現(xiàn)方式的主要缺點在于如下兩個方面：

(1)系統(tǒng)調用的阻塞問題。