进程间通信介绍

进程同步与进程互斥

1.顺序程序特征

    顺序性

    封闭性（指运行环境的封闭性）

    确定性

    可再现性

2.并发程序特征

    共享性

    并发性

    随机性

3.进程互斥

由于各进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥

系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源

在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区

4.进程同步

进程同步指的是多个进程需要相互配合共同完成一项任务

进程间通信目的

1.数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程

2.资源共享：多个进程之间共享同样的资源

3.通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）

4.进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行，此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变

进程间通信发展

1.管道

2.System V进程间通信

3.POSIX进程间通信

进程间通信分类

文件、文件锁

管道（pipe）和有名管道（FIFO）

信号、消息队列、共享内存、信号量、互斥量、条件变量、读写锁、套接字

System V IPC & POSIX IPC

System V IPC

System V消息队列、System V共享内存、System V信号量

POSIX IPC

消息队列、共享内存、信号量、互斥量、条件变量、读写锁

进程间共享信息的三种方式

IPC对象的持续性

1.随进程持续：一直存在直到打开的最后一个进程结束。（如pipe和FIFO）

2.随内核持续：一直存在直到内核自举（机器重启）或显示删除（如System V消息队列、共享内存、信号量）

    当访问这些对象的进程都结束的时候，这些对象不会自动地删除，需要显示删除或机器重启。

3.随文件系统持续：一直存在直到显示删除，即使内核自举还存在。（POSIX消息队列、共享内存、信号量）

死锁

死锁是指多个进程之间相互等待对方的资源，而在得到对方资源之前又不释放自己的资源，这样，造成循环等待的一种现象。如果所有进程在等待一个不可能发生的事，则进程就死锁了。

死锁产生的必要条件

1.互斥条件

进程对资源进行排他性使用，即在一段时间内某资源仅为一个进程所占用。

2.请求和保持条件

当进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。

3.不可剥夺条件

进程以获得的资源在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。

4.环路等待条件

各个资源组成封闭的环形链，每个进程都等待下一个进程所占用的资源。

防止死锁的办法

1.资源一次性分配（破环请求和保持条件）

一个进程要占有资源，不能占有一半的资源，要么全给你，要么不给你

2.可剥夺资源（破环不可剥夺条件）

当一个进程请求资源的时候，可以破环其它进程所占有的资源

3.资源有序分配法（破环循环等待条件）

死锁避免

预防死锁的几种策略，会严重地损害系统性能。因此在避免死锁时，要施加较弱的限制，从而获得较满意的系统性能。

由于在避免死锁的策略中，允许进程动态地申请资源。因而，系统在进行资源分配之前预先计算资源分配的安全性。若此次分配不会导致系统进入不安全状态，则将资源分配给进程；否则，进程等待。其中，最具代表性的避免死锁算法是银行家算法。

银行家算法

为保证资金的安全，银行家规定：

(1) 当一个顾客对资金的最大需求量不超过银行家现有的资金时就可接纳该顾客；
(2) 顾客可以分期贷款，但贷款的总数不能超过最大需求量；
(3) 当银行家现有的资金不能满足顾客尚需的贷款数额时，对顾客的贷款可推迟支付，但总能使顾客在有限的时间里得到贷款；
(4) 当顾客得到所需的全部资金后，一定能在有限的时间里归还所有的资金。

操作系统按照银行家制定的规则为进程分配资源，当进程首次申请资源时，要测试该进程对资源的最大需求量，如果系统现存的资源可以满足它的最大需求量则按当前的申请量分配资源，否则就推迟分配。当进程在执行中继续申请资源时，先测试该进程本次申请的资源数是否超过了该资源所剩余的总量。若超过则拒绝分配资源，若能满足则按当前的申请量分配资源，否则也要推迟分配。

信号量

为什么要使用信号量

为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，我们需要一种方法，它可以通过生成并使用令牌来授权，在任一时刻只能有一个执行线程访问 代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它， 也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。

信号量的工作原理

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：
P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行
V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.
 
举个例子，就是 两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为 当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。

1.信号量

    互斥：P、V在同一个进程中

    同步：P、V在不同进程中

2.信号量的含义

    S>0：S表示可用资源的个数

    S=0：表示无可用资源，无等待进程

    S<0：|S|表示等待队列中进程个数

3.结构

struct semaphone
{
    int value;
    pointer_PCB queue;
}

P原语

P(s)
{
    s.value=s.value--;
    if(s.value<0)
    {
        该进程状态置为等待状态
        该进程的PCB插入相应的等待队列s.queue末尾
    }
}

V(s)
{
    s.value=s.value++;
    if(s.value<=0)
    {
        唤醒相应等待队列s.queue中等待的一个进程
        改变其状态为就绪状态
        并将其插入就绪队列
    }
}

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