操作系统--进程间的通信，同步和互斥等

进程通信

    概念：进程间传输数据(交换信息)。

    常用方式：管道、有名管道、信号、信号量、消息队列、共享内存、套接字。

    管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

   有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

   信号 ( sinal ) ： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。
   信号量( semophore ) ： 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

     信号量(semaphore)的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量;当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。
   消息队列( message queue ) ： 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。消息队列是一种比较高级的进程间通信方式，它真的可以在进程间传递消息。例：进程A向消息队列写入一个包含变量内容的消息，B进程从队列中读出

   共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。
  套接字( socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

信号与信号量不同：他们都能用来同步和互斥，但前者是使用信号处理器来执行的，后者是使用P、V操作来实现，P表示通过的意思，V表示释放的意思

进程间的联系：1.相交进程：多个并发进程在逻辑上的某种联系

                          2.无关进程：在逻辑上无任何联系的进程

相交进程之间的关系主要有两种，同步与互斥。

关键术语：

临界资源：系统中某些资源一次只允许一个进程使用，这样的资源称为临界资源。也叫共享资源或互斥资源。

临界区：一个程序片段的集合，这些程序片段分散在不同进程中，对某个共享的数据结构（临界资源）进行操作，在进程中设计的临界资源的程序片段，每个进程访问共享资源的那段代码称为临界区，通俗地讲 就是访问共享资源的那段程序，例如 堆栈操作中的get(top)或rel(blk)

同步（直接制约）：指系统中一些进程需要相互合作，共同完成一项任务，比如一个进程运行到某一点时，需要另一个伙伴进程为它提供消息，在未获得消息之前，该进程会一直处于等待状态，在获得消息后被唤醒进入就绪状态。

        典型的例子是公共汽车上司机与售票员的合作。只有当售票员关门之后司机才能启动车辆，只有司机停车之后售票员才能开车门。司机和售票员的行动需要一定的协调。同样地，两个进程之间有时也有这样的依赖关系，因此我们也要有一定的同步机制保证它们的执行次序。

     实现进程同步方式：使用信号量。 信号量的特点就是允许多个进程同时访问，数量由资源数目决定。

互斥（间接制约）：当一个进程在一个临界区访问共享资源时，其他进程不能进入该临界区访问任何共享资源

      通常的情况是两个或两个以上的进程需要同时访问某个共享变量。我们一般将发生能够访问共享变量的程序段成为临界区。两个进程不能同时进入临界区，否则就会导致数据的不一致，产生与时间有关的错误。解决互斥问题应该满足互斥和公平两个原则，即任意时刻只能允许一个进程处于同一共享变量的临界区，而且不能让任一进程无限期地等待。

      实现临界区互斥基本方法可以用硬件方法或者软件方法

      通过硬件实现临界区最简单的办法就是关CPU的中断。从计算机原理我们知道，CPU进行进程切换是需要通过中断来进行。如果屏蔽了中断那么就可以保证当前进程顺利的将临界区代码执行完，从而实现了互斥。这个办法的步骤就是:屏蔽中断--执行临界区--开中断。但这样做并不好，这大大限制了处理器交替执行任务的能力。并且将关中断的权限交给用户代码，那么如果用户代码屏蔽了中断后不再开，那系统岂不是跪了？还有硬件的指令实现方式，这个方式和接下来要说的信号量方式如出一辙。但是通过硬件来实现，这里就不细说了。

    信号量实现方式

    这也是我们比较熟悉P V操作。通过设置一个表示资源个数的信号量S，通过对信号量S的P和V操作来实现进程的的互斥。P和V操作分别来自荷兰语Passeren和Vrijgeven，分别表示占有和释放。P V操作是操作系统的原语，意味着具有原子性。 P操作首先减少信号量，表示有一个进程将占用或等待资源，然后检测S是否小于0,如果小于0则阻塞，如果大于0则占有资源进行执行。 V操作是和P操作相反的操作，首先增加信号量，表示占用或等待资源的进程减少了1个。然后检测S是否小于0，如果小于0则唤醒等待使用S资源的其它进程。

死锁：两个或者两个以上的进程因其中的每个进程都在等待其他进程做完事情而不能继续执行，即多个进程互不相让，都得不到足够资源

信号量与互斥锁的区别

“信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作（大家都在semtake的时候，就阻塞在 哪里）。而互斥锁是用在多线程多任务互斥的，一个线程占用了某一个资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程unlock，其他的线程才开始可以利用这 个资源。比如对全局变量的访问，有时要加锁，操作完了，在解锁。有的时候锁和信号量会同时使用的”
也就是说，信号量不一定是锁定某一个资源，而是流程上的概念，比如：有A,B两个线程，B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤，这个任务 并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算或者数据处理之类。而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念，在锁定期间内，其他线程无法对被保护的数据进 行操作。在有些情况下两者可以互换。

两者之间的区别:

作用域
信号量: 进程间或线程间(Linux仅线程间的无名信号量pthread semaphore)
互斥锁: 线程间

上锁时 
信号量: 只要信号量的value大于0，其他线程就可以sem_wait成功，成功后信号量的value减一。若value值不大于0，则sem_wait使得线程阻塞，直到sem_post释放后value值加一,但是sem_wait返回之前还是会将此value值减一
互斥锁: 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源