《操作系统原理》学习笔记，多进程和多线程的优缺点？IPC进程间通信的方式？

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操作系统
2023-06-06
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操作系统原理

1.处理器

每个处理器都有自己的指令系统（指令集），处理器的物理组成如下：

运算器：实现任何指令的算数和逻辑运算，是计算机计算的核心。
控制器：负责控制程序运行的流程，包括取指令，维护CPU的运行状态，CPU与内存的交互。
寄存器：是指令在CPU内部运算过程中存放数据、内存地址以及指令信息的存储设备，在计算机存储系统中具有最快的存储速度。
高速缓存：处于CPU和物理内存之间，用户多级存储结构，均衡CPU和内存的速度，一般由控制器中的内存管理单元（MMU）管理。

2.寄存器

寄存器（register）为CPU本身提供了一定的存储能力，分为：

用户可见寄存器：可由用户使用。
控制和状态寄存器：用于控制处理器操作，一般由管态下的操作系统代码使用。

根据作用进行分类：

数据寄存器：也称通用寄存器，主要用于各种算数逻辑指令和访存指令
地址寄存器：用于存放数据/指令的物理地址、线性地址或有效地址，用于特定的某种方式的寻址，如索引、段指针、栈指针等
条件码寄存器：保存CPU操作结果的各种标记位，如算数运算产生的溢出、符号等。这些标记在条件分支指令中被测试，以控制程序指令的流向
程序计数器（Program Counter，PC）：记录了将要取出的指令的物理地址
指令寄存器（Instruction Register，IR）：包含最近取出的指令
程序状态码（Program Status Word，PSW）：它记录了CPU运行模式信息，用以表明CPU当前的工作状态，通常包括CPU的工作状态码（管态还是目态）、条件码（反应指令执行后的结果特征）、中断屏蔽码（是否允许中断）等

3.指令处理

处理指令的最简单方式包括两个步骤：cpu先从内存中读取一条指令，然后执行，这样单条指令的处理过程称为一个“指令周期”，程序的执行就是由许多指令周期组成。

典型的处理器中，处理器依据在PC中保存的指令地址，从内存中取出一条指令，并在取指令完成后根据指令类别自动将PC的值改为下一条指令，指令存放在指令寄存器，CPU将解释执行。

访问内存指令：负责CPU和内存之间的数据传输
I/O指令：负责CPU和I/O模块之间的数据传送和命令发送
算数逻辑指令：又称数据处理指令，用以执行有关数据的算术和逻辑操作
控制转移指令：这种指令可以指定一个新的指令执行起点
CPU控制指令：用以修改处理器状态、改变CPU工作方式等

特权指令是指在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令，多数系统将CPU的工作状分为管态和目态。前者一般指OS管理程序运行的状态，具有较高的特权级别，又称系统态、特权态，后者一般指用户程序运行时的状态，又称普通态、用户态。

CPU状态是动态改变的，状态切换可通过特权指令直接设置PSW。

当在用户态执行特权指令时，CPU将拒绝执行该指令，并形成一个“非法事件”的操作。中断机制识别该事件后，转交给操作系统处理。

4.关于进程

进程是具有一定独立功能的程序，关于某个数据集合上的一次运行活动。进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，从OS的角度可将进程分为系统进程（执行操作系统程序，完成OS的某些功能）和用户程序运行后的用户进程（优先级低于系统进程）

进程的组成大致如下：

指令（可执行代码）
数据
PCB

PCB是一个用于描述进程基本情况，以及进程运行变化过程的数据结构。它是进程存在的唯一标志，当系统创建进程时，为进程设置PCB，再利用PCB对进程进行控制和管理。撤销进程时，系统回收PCB，进程随之消亡。PCB包含的数据内容可分为：

调度信息：供进程调度时使用，描述进程的当前状态，包括进程名、进程号、存储信息、优先级、当前状态、资源清单、家族关系、消息队列指针、当前打开的文件表等。
现场信息：描述了进程当前的运行情况，由于每个进程都有自己的专属内存工作区，现场信息只记录那些可能会被其它进程改变的寄存器数据（比如程序状态字、时钟、界地址寄存器、程序计数器等）

系统将所有进程的PCB排成若干队列（线性方式、索引方式、链表方式等）

5.关于线程

进程是一个可拥有资源的独立单位，同时又是一个可以独立调度和分派的基本单位。引入线程之后，进程是拥有资源的单位，线程作为运行调度单位。

每个线程拥有一个唯一的标识符和线程描述表，可执行相同程序。同进程中的线程共享该进程的内存存储空间，相互通信无需调用内核，同意进程中，线程切换不会引起进程切换，不同进程中的线程切换将会引起进程切换。

用户级线程：这种线程不依赖于内核，只存在于用户态中，对它的操作不会通过系统调用来实现，内核也不知道它的存在。同时它可以在不支持线程的OS上进行实现（线程的调度由进程内的一个运行时系统进行维护）。
内核级线程：这种线程依赖于内核，在内核中保留了线程控制块和所有线程的线程表，通过系统调用对线程表的更新完成线程的各种操作，线程表中保存了每个线程的寄存器、状态和其它信息（PCB的子集）

6.进程/线程模型

6.1 三状态模型

“三状态进程模型”下的进程分为运行、等待、就绪三种状态：

运行状态：指进程已获得CPU，并且在CPU上执行的状态
就绪状态（Ready）：指进程已经具备运行条件，但由于没有获得CPU而不能运行的状态
等待状态（Wait）：指进程等待某种事件发生，而暂时不能运行的状态。

6.2 五状态模型

“五状态模型”分为创建、运行、就绪、阻塞、结束五种状态。

IPC，进程间通信

参考：https://ost.51cto.com/posts/3330

进程通信（ InterProcess Communication，IPC）就是指进程之间的信息交换。常见的进程通信机制：

管道（也称作共享文件）
消息队列（也称作消息传递）
共享内存（也称作共享存储）
信号量和 PV 操作
信号
套接字（Socket）

IPC进程通信

1.匿名管道

Linux 管道使用竖线 | 连接多个命令，这被称为管道符。

$ command1 | command2

以上这行代码就组成了一个管道，它的功能是将前一个命令（command1）的输出，作为后一个命令（command2）的输入。管道中的数据只能单向流动，也就是半双工通信，如果想实现相互通信（全双工通信），则需要创建两个管道。

另外，通过管道符 | 创建的管道是匿名管道，用完了就会被自动销毁。并且，匿名管道只能在具有亲缘关系（父子进程）的进程间使用。也就是说，匿名管道只能用于父子进程之间的通信。

在 Linux 的实际编码中，是通过 pipe 函数来创建匿名管道的，若创建成功则返回 0，创建失败就返回 -1：

// 该函数拥有一个存储空间为 2 的文件描述符数组：
// fd[0] 指向管道的读端，fd[1] 指向管道的写端
// fd[1] 的输出是 fd[0] 的输入

int pipe (int fd[2]);

对于管道两端的进程而言，管道就是一个文件（管道也被称为共享文件机制），但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在于内存中。

管道的本质就是内核在内存中开辟了一个缓冲区，这个缓冲区与管道文件相关联，对管道文件的操作，被内核转换成对这块缓冲区的操作。

2.有名管道

匿名管道由于没有名字，只能用于父子进程间的通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道，也称做 FIFO，因为数据是先进先出的传输方式。

所谓有名管道也就是提供一个路径名与之关联，这样，即使与创建有名管道的进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够通过这个有名管道进行相互通信。

# 使用 Linux 命令 mkfifo 来创建有名管道：
$ mkfifo myPipe

# myPipe 就是这个管道的名称，往 myPipe 这个有名管道中写入数据：
$ echo "hello" > myPipe

# 执行这行命令后，程序就阻塞了，因为管道里的内容没有被读取，只有当管道里的数据被读完后，命令才可以正常退出。
执行另外一个命令来读取这个有名管道里的数据
$ cat < myPipe
hello