操作系统 进程相关

1 进程、线程、协程

定义

【Are u OKay？——协程、线程、进程】 https://www.bilibili.com/video/BV1Wr4y1A7DS/?share_source=copy_web&vd_source=1e4d767755c593476743c8e4f64e18db

高并发：线程池，不要无休止的创建线程。--> task很小很快，thread需要切换（中断）-->协程

拥有资源

切换过程、开销

进程切换：

1. 上下文保存（保存当前进程状态）： 当操作系统决定切换到另一个进程时，首先需要保存当前进程的上下文信息，包括寄存器的状态、程序计数器、内存页表等。

2. 切换到内核模式： 进程切换通常涉及从用户模式切换到内核模式，以便操作系统能够执行敏感的指令并更改进程的状态。

3. 调度新进程： 操作系统选择要切换到的新进程，将其上下文信息加载到 CPU 寄存器和内存管理单元中。

4. 切换到用户模式： 切换到新进程的用户模式，允许其执行。

在任务切换的过程中，通常会涉及到系统调用。系统调用是用户程序与操作系统之间进行通信的一种方式，用于请求操作系统提供服务。在任务切换中，以下情况可能触发系统调用：

1. 上下文保存： 将当前进程的上下文信息保存到内存中，可能涉及到对内存的写操作，这可能需要调用操作系统提供的服务。

2. 切换到内核模式： 用户程序切换到内核模式通常需要通过中断或异常来触发，这会涉及到一些与特权级别相关的系统调用，例如进入内核模式的中断服务例程。

3. 调度新进程： 选择和调度新进程也可能涉及到系统调用，例如获取进程列表、更新进程状态等。

通信、并发

进程是应用程序/程序的执行副本，进程要管理硬件资源、CPU资源、文件资源、内存分页等，执行只需要CPU和内存。进程来回切换消耗资源，所以抽象出一个更小的单位线程，当一个程序启动以后（进程），会产生一个主线程，操作系统将计算资源不给进程，而是直接给主线程。进程是资源管理的单位，线程是程序执行的单位，线程只需要执行程序。操作系统的调度线程的执行，一个一个线程排队执行，每个线程执行时都有一个时间片，当时间片执行完了以后，切换下一个线程执行。程序执行产生一个进程，这个进程都会有一个主线程。但是操作系统调度的是自己的线程，自己的线程表，程序员在用户空间创建线程，但是真正执行的是操作系统的线程。操作系统的线程和用户线程是映射关系，也就是说，操作系统的线程才是真正的线程，程序员并不能直接执行直接的线程，必须要挂靠到操作系统的线程执行。高并发的场景下，会有很多task，为每个task创建一个线程（线程对象）很占用内存空间，每个线程都对应一个操作系统的线程（内核线程），这样操作系统忙不过来。所以设计了线程池技术，溢出线程池怎么办，让task排队（线程会回收到线程池）。

2 Linux 进程通信方式

管道

消息队列

1. 内核中的链表： 消息队列通常在内核中维护一个链表，用于存储进程发送的消息。每个消息都是链表中的一个节点，包含了消息内容、发送者、接收者等信息。这样的设计使得内核能够高效地管理和调度消息。

2. 系统调用： 在Linux系统中，消息队列的相关操作是通过系统调用来实现的。

共享内存

基于虚拟内存实现，不需要走系统调用。往往配合信号量

信号量（同步，限制临界资源）

pv操作

套接字

信号

3 线程通信

信号

锁机制

条件变量

信号量

4 Linux 同步

• POSIX信号量：可用于进程同步，也可用于线程同步。

• POSIX互斥锁 + 条件变量：只能用于线程同步。

5 进程同步

1. 互斥锁（Mutex）：

   • 使用互斥锁来确保一次只有一个进程能够进入临界区（一段关键代码）。
   • 进入临界区前先尝试获得锁，如果锁已经被其他进程占用，则等待。

2. 信号量（Semaphore）：

   • 信号量是一种更为通用的同步工具，可以用来实现互斥和合作。
   • 可以用于控制对共享资源的访问，也可以用于进程之间的通信。

读者写者问题

允许多个进程同时对数据进行读操作，但是不允许读和写以及写和写操作同时发生。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

#define N 100
typedef int semaphore;

semaphore mutex = 1;    // 互斥信号量，用于对临界区的访问进行互斥
semaphore empty = N;    // 表示缓冲区中的空槽位数量
semaphore full = 0;     // 表示缓冲区中的已有数据项数量

// 生产者函数
void producer() {
    while (1) {
        int item = produce_item();  // 生产一个数据项

        down(&empty);   // 等待缓冲区有空槽位可用
        down(&mutex);   // 进入临界区前先获取互斥锁

        insert_item(item);  // 将数据项插入缓冲区
        up(&mutex);         // 退出临界区，释放互斥锁
        up(&full);          // 增加已有数据项数量
    }
}

// 消费者函数
void consumer() {
    while (1) {
        down(&full);   // 等待缓冲区中有数据项可用
        down(&mutex);  // 进入临界区前先获取互斥锁

        int item = remove_item();  // 从缓冲区中移除数据项
        consume_item(item);        // 消费数据项

        up(&mutex);  // 退出临界区，释放互斥锁
        up(&empty);  // 增加空槽位数量
    }
}

1. 条件变量（Condition Variable）：

   • 条件变量用于在某个条件得到满足之前使线程等待，只有当条件满足时，才唤醒等待的线程。
   • 通常与互斥锁一起使用，以确保在检查条件和等待/唤醒之间的操作是原子的。
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