《互斥同步與通訊》課件

互斥同步與通訊探討計算機系統(tǒng)中多個進程或線程之間的同步與通信機制,包括互斥鎖、信號量、消息隊列等常見方法。了解并掌握這些基本概念對于系統(tǒng)設計與編程至關(guān)重要。JYbyJacobYan課程介紹課堂教學本課程將通過課堂互動授課的形式,系統(tǒng)地講解操作系統(tǒng)中的進程同步與通信機制。動手練習學生將在實驗環(huán)境中編寫代碼,親身體驗進程同步與通信的各種問題和解決方案。小組交流學生將組成小組,討論課程中涉及的重點問題,增進對知識的理解。同步與互斥的概念同步多個進程/線程需要協(xié)調(diào)好時間先后關(guān)系,以確保數(shù)據(jù)的正確性和完整性?；コ馊魏螘r刻只允許一個進程/線程訪問共享資源,避免資源競爭和數(shù)據(jù)不一致。協(xié)調(diào)通過同步和互斥,多個進程/線程可以有序地訪問共享資源,避免沖突。進程的同步問題1發(fā)生的情況當多個進程訪問共享資源時,如果不加以同步控制,將會導致數(shù)據(jù)錯誤和系統(tǒng)崩潰。2同步要求進程間必須達成同步一致,避免資源爭搶和數(shù)據(jù)競爭。3同步措施使用互斥機制、信號量、管程等方法實現(xiàn)進程間的同步與協(xié)作。進程同步是操作系統(tǒng)的核心問題之一。當多個進程并發(fā)訪問共享資源時,如果不加以同步控制,就會導致數(shù)據(jù)錯誤和系統(tǒng)崩潰。因此,實現(xiàn)進程間的同步協(xié)調(diào)是非常重要的,需要采取互斥、信號量等特殊機制來確保資源訪問的正確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。互斥與同步機制互斥互斥指的是對共享資源的獨占使用,確保同一時間只有一個進程可以訪問和修改該資源?；コ馔ㄟ^加鎖機制實現(xiàn),確保資源的一致性和完整性。同步同步是指多個進程或線程之間的協(xié)調(diào)工作,確保它們以正確的順序執(zhí)行。同步通過信號量、事件等機制實現(xiàn),保證進程之間的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)的正確性。差異互斥是為了保護共享資源的獨占使用,而同步是為了協(xié)調(diào)多個進程的執(zhí)行順序。互斥確保資源的一致性,同步確保進程之間的協(xié)調(diào)性。應用互斥和同步機制廣泛應用于操作系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)等需要并發(fā)執(zhí)行的場景,確保系統(tǒng)的正確性和可靠性。信號量的使用信號量簡介信號量是一種用于進程同步和互斥的機制,它允許多個進程訪問共享資源。信號量的操作信號量通過wait()和signal()兩個原子操作來控制對共享資源的訪問。信號量分類信號量分為二進制信號量(二值信號量)和計數(shù)信號量,滿足不同同步需求。信號量應用信號量可用于實現(xiàn)生產(chǎn)者-消費者問題、哲學家進餐問題等同步問題的解決。生產(chǎn)者-消費者問題1生產(chǎn)生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品2緩存使用緩沖區(qū)臨時存儲產(chǎn)品3消費消費者從緩沖區(qū)取出并使用產(chǎn)品生產(chǎn)者-消費者問題是一個典型的進程同步問題。生產(chǎn)者和消費者通過共享緩沖區(qū)進行通信和協(xié)調(diào)。當緩沖區(qū)為空時,消費者需要等待生產(chǎn)者生產(chǎn);當緩沖區(qū)已滿時,生產(chǎn)者需要等待消費者消費。這需要使用互斥鎖和信號量等機制來實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者的同步。哲學家進餐問題哲學家回家用餐五個哲學家回到房間中共享一個環(huán)形餐桌，每個人手邊都有一把叉子。需要兩把叉子進餐每個哲學家都必須同時擁有左右兩把叉子才能開始進餐。叉子資源有限由于叉子數(shù)量有限,如果所有人同時試圖拿取叉子,就會發(fā)生死鎖。設計同步機制需要通過互斥機制解決這一資源爭奪問題,確保每個哲學家都能安全進餐。讀者-寫者問題1讀者優(yōu)先在讀者-寫者問題中,讀者有優(yōu)先訪問權(quán)限,寫者必須等待讀者操作完成后才能進行寫入。這確保了數(shù)據(jù)的一致性和完整性。2寫者排隊如果有多個寫者同時請求訪問,他們會被安排成一個隊列,依次執(zhí)行寫入操作。這種機制避免了寫者之間的沖突。3讀者互不干擾多個讀者可以同時進行讀取操作,不會相互影響。這確保了讀取效率,同時也避免了讀者之間的爭用。內(nèi)核與用戶態(tài)進程1內(nèi)核態(tài)內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心部分,負責管理硬件資源和提供基本服務。內(nèi)核運行在最高特權(quán)級,可以直接訪問硬件。2用戶態(tài)用戶進程運行在較低特權(quán)級,受到內(nèi)核的嚴格控制。它們只能通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問受保護的資源。3狀態(tài)切換當用戶進程需要訪問受保護資源時,會觸發(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)切換會給系統(tǒng)性能帶來一定的開銷,需要合理設計以提高效率。內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)切換1進入內(nèi)核態(tài)通過系統(tǒng)調(diào)用進入內(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)進程操作系統(tǒng)會在用戶態(tài)進程與內(nèi)核態(tài)之間進行頻繁切換。進程通過系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核態(tài)后，內(nèi)核會執(zhí)行所需的操作并返回用戶態(tài)。這種切換發(fā)生在進程需要訪問硬件或內(nèi)核資源的時候，確保了用戶進程的安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)調(diào)用及其實現(xiàn)1系統(tǒng)調(diào)用概念系統(tǒng)調(diào)用是應用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核交互的主要方式,用于請求內(nèi)核提供服務。2系統(tǒng)調(diào)用流程程序通過陷入指令觸發(fā)系統(tǒng)調(diào)用,操作系統(tǒng)內(nèi)核負責處理并返回結(jié)果。3系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)傳遞應用程序?qū)?shù)壓入棧,內(nèi)核通過寄存器或棧來獲取參數(shù)。4系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)機制通過注冊中斷服務程序和陷入指令來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的具體實現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)用服務例程核心概念系統(tǒng)調(diào)用服務例程是操作系統(tǒng)內(nèi)核中用于處理各種系統(tǒng)調(diào)用請求的代碼部分。它負責執(zhí)行用戶程序發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)用請求。功能流程當用戶程序需要使用操作系統(tǒng)提供的服務時，會通過系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核態(tài)。系統(tǒng)調(diào)用服務例程接收并分析請求,然后調(diào)用相應的內(nèi)核函數(shù)完成操作。實現(xiàn)機制系統(tǒng)調(diào)用服務例程通常通過軟件中斷或異常機制進入內(nèi)核,并利用內(nèi)存保護機制隔離用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。性能優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)用服務例程需要高效處理大量的系統(tǒng)調(diào)用請求,因此代碼實現(xiàn)上需要注重性能優(yōu)化。進程間通信概述多進程協(xié)作進程間通信可以實現(xiàn)多個進程之間的數(shù)據(jù)交互和協(xié)作,提高系統(tǒng)的整體效率。數(shù)據(jù)共享通過進程間通信,多個進程可以共享數(shù)據(jù)和資源,避免重復計算和存儲。解耦和異步進程間通信可以實現(xiàn)解耦和異步執(zhí)行,提高系統(tǒng)的響應速度和可擴展性。關(guān)鍵技術(shù)進程間通信的關(guān)鍵技術(shù)包括管道、消息隊列、共享內(nèi)存、信號量等。管道通信機制1創(chuàng)建管道操作系統(tǒng)提供管道機制,進程可以通過管道進行數(shù)據(jù)交換。2讀寫管道一個進程往管道寫入數(shù)據(jù),另一個進程從管道讀取數(shù)據(jù)。3管道特點管道是半雙工的單向數(shù)據(jù)傳輸通道,有先進先出特性。4管道限制管道容量有限,讀寫進程必須同步協(xié)調(diào),不同進程間通信。管道機制是最簡單最基礎(chǔ)的進程間通信方式之一,它采用半雙工單向數(shù)據(jù)流傳輸?shù)姆绞?通過管道緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)交換。管道擁有先進先出的特點,并且容量有限,要求讀寫進程保持同步。它通常用于簡單的父子進程間通信。消息隊列通信創(chuàng)建消息隊列進程可以創(chuàng)建消息隊列，用以存儲等待被其他進程接收的消息。發(fā)送消息進程向消息隊列中添加消息，等待其他進程讀取。接收消息進程從消息隊列中讀取消息，可以選擇立即讀取或等待新消息。管理消息隊列系統(tǒng)提供接口控制消息隊列的屬性，如最大消息數(shù)、消息大小等。信號量通信1原理信號量是一種用于控制多個進程對共享資源訪問的機制。通過設置信號量的初始值和對其的加減操作來實現(xiàn)進程同步。2操作信號量提供兩種基本操作:P(wait)和V(signal)。P操作減少信號量值,V操作增加信號量值。3應用信號量可用于解決生產(chǎn)者-消費者、哲學家進餐等經(jīng)典同步問題,實現(xiàn)進程間有序訪問共享資源。共享內(nèi)存通信1內(nèi)存映射進程將文件或設備映射到內(nèi)存中2讀寫共享多進程可同時訪問共享內(nèi)存3信號量同步使用信號量控制進程訪問共享內(nèi)存共享內(nèi)存通信是一種高效的進程間通信方式。進程通過將文件或設備映射到內(nèi)存中實現(xiàn)讀寫共享。為了避免競爭條件,需要使用信號量進行同步控制。這種方式數(shù)據(jù)傳輸效率高,但需要額外的同步機制來保證進程安全訪問共享內(nèi)存。遠程過程調(diào)用1定義遠程過程調(diào)用是一種跨網(wǎng)絡的進程間通信機制。2工作原理客戶端將調(diào)用請求發(fā)送到服務端,服務端執(zhí)行并返回結(jié)果。3優(yōu)點提供了透明的分布式計算機編程環(huán)境。4應用場景分布式系統(tǒng)、服務導向架構(gòu)、微服務等。遠程過程調(diào)用是一種跨網(wǎng)絡的進程間通信機制。它允許客戶端通過網(wǎng)絡將調(diào)用請求發(fā)送到服務端,服務端執(zhí)行操作并返回結(jié)果,從而提供了一種透明的分布式計算機編程環(huán)境。這種技術(shù)廣泛應用于分布式系統(tǒng)、服務導向架構(gòu)和微服務架構(gòu)等場景。套接字通信概念基礎(chǔ)概念套接字是進程間通信的一種編程接口,它提供了一種標準的方式來訪問底層的網(wǎng)絡協(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,并提供事件通知機制用于監(jiān)控通信狀態(tài)。典型應用套接字廣泛應用于客戶端-服務器模式的網(wǎng)絡程序,如Web瀏覽器、聊天應用等,實現(xiàn)了跨平臺的網(wǎng)絡通信。TCP/IP基礎(chǔ)知識TCP/IP協(xié)議棧TCP/IP協(xié)議棧由四個層次組成,分別是應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和鏈路層。每一層都有特定的功能和協(xié)議標準。IP地址IP地址是網(wǎng)絡設備在網(wǎng)絡上的唯一標識,分為IPv4和IPv6兩種格式。IP地址由網(wǎng)絡號和主機號兩部分組成。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報文,服務器回應SYN-ACK報文,客戶端最后發(fā)送ACK報文完成連接。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)報文網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信采用報文的方式傳輸。報文包括報文頭和報文體兩部分,報文頭中包含各層協(xié)議所需要的控制信息。TCP套接字通信1連接建立通過三次握手協(xié)議建立TCP連接,確保雙方準備好接收和發(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)傳輸機制。3連接終止通過四次揮手協(xié)議來安全地關(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UDP（UserDatagramProtocol）是一種無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)報傳輸協(xié)議,不需要建立連接即可傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸UDP將數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)報,每個數(shù)據(jù)報都包含源地址和目的地址信息,獨立進行傳輸。應用場景UDP適用于對實時性要求較高、但可靠性要求較低的場景,如視頻會議、在線游戲等。實現(xiàn)方式通過創(chuàng)建UDP套接字,使用sendto()和recvfrom()函數(shù)進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。域名系統(tǒng)DNS域名解析過程DNS系統(tǒng)將人類可讀的域名解析為機器可讀的IP地址,確保互聯(lián)網(wǎng)通信順暢進行。這個過程涉及多個DNS服務器的層層查詢。層級DNS服務器域名系統(tǒng)采用分層的DNS服務器架構(gòu),包括根域名服務器、頂級域名服務器和DNS解析服務器,協(xié)作完成域名解析。緩存與負載均衡DNS服務器會緩存已解析的域名,提高解析效率。當服務器負載過高時,還會采用負載均衡技術(shù)分散請求壓力。DHCP協(xié)議工作原理動態(tài)分配IP地址DHCP協(xié)議能夠自動為網(wǎng)絡設備分配IP地址,無需手動配置,提高了網(wǎng)絡管理效率。簡化網(wǎng)絡部署DHCP服務器集中管理IP地址池,無需在每臺設備上配置IP地址和其他網(wǎng)絡參數(shù)。自動獲取配置信息設備通過DHCP協(xié)議自動獲取IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)等必要的網(wǎng)絡配置信息。Web工作原理1客戶端-服務器架構(gòu)Web基于客戶端-服務器的工作模式,客戶端發(fā)起請求,服務器響應并返回數(shù)據(jù)。2HTTP協(xié)議通信客戶端與服務器之間使用HTTP協(xié)議進行請求和響應的數(shù)據(jù)交互。3資源定位與訪問通過URL地址可以定位服務器上的各種資源,并通過HTTP請求獲取資源內(nèi)容。4動態(tài)內(nèi)容生成服務器可以根據(jù)用戶請求動態(tài)生成HTML頁面內(nèi)容,實現(xiàn)交互式的Web應用。網(wǎng)絡安全概述網(wǎng)絡威脅包括病毒、黑客攻擊、數(shù)據(jù)泄露等危害網(wǎng)絡安全的各種威脅。防護措施通過防火墻、加密、權(quán)限管理等手段來保護網(wǎng)絡系統(tǒng)安全。系統(tǒng)漏洞軟硬件中存在的安全隱患,需要及時修補以防止被利用。合規(guī)性遵守相關(guān)法律法規(guī)和行業(yè)標準,確保網(wǎng)絡安全符合監(jiān)管要求。網(wǎng)絡安全防護措施物理防護加強對關(guān)鍵網(wǎng)絡設備的實體物理防護,包括防盜、防破壞、防侵入等措施,確保網(wǎng)絡設備的安全。技術(shù)防護部署防火墻、入侵檢測/預防系統(tǒng)、反病毒軟件等,對網(wǎng)絡流量進行有效監(jiān)控和管控,阻止非法訪問和攻擊。管理防護制定完善的網(wǎng)絡安全管理制度和應急預案,定期進行風險評估和安全審核,及時修補漏洞,提高員工的安全意識和防護能力。法律防護建立健全的網(wǎng)絡安全法律法規(guī)體系,加大對網(wǎng)絡犯罪的打擊力度,為網(wǎng)絡安全提供有力的法律保障。網(wǎng)絡協(xié)議攻防技術(shù)協(xié)議漏洞利用黑客利用網(wǎng)絡協(xié)議中的安全漏洞來發(fā)起攻擊,如緩沖區(qū)溢出、SQL注入等。掌握這些攻擊技術(shù)可以檢測和修補系統(tǒng)漏洞。DDoS攻擊分布式拒絕服務攻擊