操作系统实战

临界资源

保护临界资源 / 进行通信

• 线程间同步
• 互斥量和 读写锁 自旋锁 条件变量
• 进程间同步
• 共享内存 域套接字

重要概念

• 用户态与内核态
• 上下文切换
• 协程

线程同步之互斥量

互斥量（锁 ）可以保证多线程的指令按顺序执行，避免两个线程的指令交叉执行（即 原子性）

• 原子性是指一系列操作指令不可被中断执行，要么全部执行，要么全部没有执行，不存在部分执行的情况
• 互斥量是最简单的线程同步的方法
• 互斥量（互斥锁）是处于两态之一的变量：解锁 和 加锁
• 两个状态可以保证资源访问的串行

操作系统直接提供了互斥量的 API，可使用 API 完成资源的加锁，解锁的操作

pthread_mutex_t

线程同步之自旋锁

• 自旋转也是一种多线程同步的变量
• 使用自旋转的线程会反复检查锁的变量是否可用
• 自旋转不会让出 CPU，是一种 忙等待 的状态（死循环等待锁被释放）

自旋锁避免了进程或线程的 ** 上下文切换 ** 的开销

操作系统内部很多地方使用的是自旋锁
自旋锁不适合在单核 CPU 使用

pthread_spinlock_t

线程同步之读写锁

当临界资源属于 多读少写 的情况，可以采用效率更高的同步方法： 读写锁 读多写少场景相比互斥量性能提出几倍

• 读写锁是一种特殊的 自旋锁
• 允许多个读者同时访问资源以提高读性能（读 不改变临界资源的值）
• 对于写操作则是 互斥 的

pthread_rwlock_t
pthread_relock_rdlock
pthread_rwlock_wrlock

线程同步之条件变量

在生产消费场景中面临以下情况
1 缓冲区小于 0 时，不允许消费者消费，消费者必须 等待
2 缓冲区满时，不允许生产者往缓冲区生产，生产者必须 等待
当生产者生产一个产品时，唤醒 可能等待的消费者
当消费者消费一个产品时，唤醒 可能等待的生产者

pthread_cond_t 配合 互斥量（锁）使用
pthread_cond_wait
pthread_cond_signal

• 条件变量是一种相对复杂的线程同步方法
• 条件变量允许线程睡眠，直到满足某种条件
• 当满足条件时，可以向该线程信号，通知唤醒

线程同步方法总结

1 互斥锁 最简单的线程同步方法，会 阻塞线程
2 自旋锁 避免 上下文切换 的一种线程同步方法，属性 忙等待 CPU
3 读写锁 为 多读少写 的资源设计的线程同步方法，显著提高性能
4 条件变量 相对复杂的多线程同步方法，配合互斥量，更灵活的使用场景

使用 fork 系统调用创建进程

java python 等语言底层也是通过 fork 创建进程

• fork 系统调用是用于创建进程的
• fork 创建的进程初始状态与父进程一样
• 系统会为 fork 的进程分配新的资源
• fork 系统调用无参数 fork 会返回两次，分别是 子进程 id 和 0

进程同步之共享内存

进程的线程共享进程资源，理论上进程之间由于操作系统的进程管理机制（进程 - 页表 - 物理内存），进程间的内存空间是相互独立的，（进程默认是不能访问进程空间之外的内存空间）但进程可以通过 共享内存 打破这样的限制

• 共享存储允许不相关的进程访问同一片物理内存
• 共享存储是两个进程之间共享和传递数据最快的一种方式
• 共享内存 未提供同步机制，需要借助其他机制管理访问

共内存是高性能后台开发中最常用的进程同步方式

共享内存实现流程

1 申请共享内存
2 连接到进程空间
3 使用共享内存
4 脱离进程空间 & 删除