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第6讲 互斥和同步(2)⚓

1. 消息传递⚓

信号量和管程都是设计用来解决访问公共内存的一个或多个 CPU 上的互斥问题的，但是对于分布式系统(每个 CPU 都有自己的私有内存)，这些机制将会失效。对于不同机器间的进程通信，必须引入消息传递(message passing)等高级通信机制。

消息传递原语：

C
send(destination, &message)
receive(source, &message)

它们是系统调用而不是语言成分消息传递。

2. Linux 和 Windows 的互斥与同步⚓

Linux 应用程序采用 POSIX 标准用于进程/线程的同步和互斥，包括互斥锁 mutex，条件变量 cond，读写锁 rwlock，信号量（有名信号量、基于内存的信号量/无名信号量）。

Windows 内核支持三种同步对象：互斥对象 Mutex，信号量对象 Semaphore，事件对象 Event。

3. 进程间高级通信⚓

进程间通信(IPC，Inter-Process Communication)：在不同进程之间传递或交换信息。

  1. 低级通信：进程之间控制信息的交换称为低级通信。一般只传送一个和几个字节的信息，达到控制进程的同步和互斥的作用。例如信号量和信号。
  2. 高级通信：用户可以直接利用操作系统所提供的一组通信命令，高效地传送大量数据的一种通信方式进程间通信。例如共享内存、消息传递、管道、套接字 socket。

(1) 共享内存

在物理内存中划出一块共享存储区，相互通信的进程可以将共享存储区映射到各自的进程地址空间，通过读或写共享存储区数据实现通信。两个不同进程 A,B 将同一块物理内存被映射到各自的进程地址空间，一个进程可以即时看到对方进程对共享内存中数据的更新。

操作系统一般只提供共享的内存空间，进程之间的读写互斥问题需要程序解决。

Linux 的共享内存机制：系统调用 mmap() ，POSIX 共享内存，System V 共享内存。

优点：效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。

缺点：进程必须在同一台物理机器上才能使用内存。安全性脆弱。

Note

使用全局变量在同一个进程内部的线程之间实现通信，我们不认为是共享内存方法，因为同一个进程的线程是天然共享一块地址空间的。

(2) 消息传递

在消息传递系统中，进程间的数据交换是以消息(message)为单位。程序员直接利用系统提供的一组通讯命令（原语）来实现通讯，按照实现方法的不同，又可分为直接通信方式（消息缓冲机制）、间接通信方式（信箱通信方式）。

直接通信方式（消息缓冲/消息队列）：发送进程直接将消息发送给接收进程，将它挂在接收进程的消息缓冲队列上；接收进程从消息缓冲队列中取得消息。发送和接收进程都必须以显式方式提供目标进程标识符，以表明向谁发送或者从谁那里接收消息。

通信原语：

C
send(destination, message)
receive(source, message)

操作系统在内存中开辟若干个消息缓冲区，用以存放消息，并且负责管理消息缓冲区以及消息的传递。每当一个发送进程向另一个接收进程发送消息时，便申请一个消息缓冲区，并把已经准备好的消息送到缓冲区，然后把这个缓冲区插入到接收进程的消息队列中，最后通知接收进程。接收进程收到发送进程发来的通知后，从本进程的消息队列中摘下消息缓冲区，取出需要的信息，然后把缓冲区还给系统。

Linux 支持两种消息队列：POSIX 消息队列，System V 消息队列。

间接通信方式：利用信箱通讯方式，发送者不必写出接收者，可以向不知名的进程发送消息，由系统选择接收者，因此可以广泛运用于计算机网络系统中。由于消息可以完好的保存在信箱里，只允许核准的目标用户读取，因此可以实现实时通信也可以实现非实时通信。如 WIndows 邮件槽。

(3) 管道 pipe

在进程间以字节流方式传送信息的通信通道。每个管道具有两个端，一端用于输入，一端用于输出。在相互通信的两个进程中，一个进程将信息送入管道的输入端，另一个进程就从管道的输出端读取该信息。由此一个进程的输出可成为另外一个进程的输入，例如常见的 ls | grep xxx 命令。

Note

消息传递通信是以内存缓冲区为基础。管道是以文件系统为基础。

管道的分类：

  1. 无名管道(anonymous pipe)，也可直接代指管道 pipe，可用于具有亲缘关系的进程间的通信。
  2. 命名管道(named pipe)：有名管道克服了管道没有名字的限制，除具有管道所具有的功能外，还允许无亲缘关系的进程间的通信。

在 Linux 中，通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而 VFS 索引节点又指向同一个物理页而实现管道。例如：

  1. 通过 pipe 系统调用创建无名管道，得到两个文件描述符，分别用于写和读。int pipe(int fildes[2]) ，文件描述符 fildes[0] 为读端，fildes[1] 为写端。通过系统调用 write 和 read 进行管道的写和读。
  2. 进程间双向通信，需要两个管道。
  3. 只适用于父子进程之间或父进程安排的各个子进程之间。

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