六大进程通信机制总结 下

发布于 2021-3-18 09:44
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5. 信号量和 PV 操作


实际上,对具有多 CPU 系统的最新研究表明,在这类系统上,消息传递的性能其实是要优于共享内存的,因为消息队列无需避免冲突,而共享内存机制可能会发生冲突。也就是说如果多个进程同时修改同一个共享内存,先来的那个进程写的内容就会被后来的覆盖。

 

并且,在多道批处理系统中,多个进程是可以并发执行的,但由于系统的资源有限,进程的执行不是一贯到底的, 而是走走停停,以不可预知的速度向前推进(异步性)。但有时候我们又希望多个进程能密切合作,按照某个特定的顺序依次执行,以实现一个共同的任务。

 

举个例子,如果有 A、B 两个进程分别负责读和写数据的操作,这两个线程是相互合作、相互依赖的。那么写数据应该发生在读数据之前。而实际上,由于异步性的存在,可能会发生先读后写的情况,而此时由于缓冲区还没有被写入数据,读进程 A 没有数据可读,因此读进程 A 被阻塞。

 

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因此,为了解决上述这两个问题,保证共享内存在任何时刻只有一个进程在访问(互斥),并且使得进程们能够按照某个特定顺序访问共享内存(同步),我们就可以使用进程的同步与互斥机制,常见的比如信号量与 PV 操作。

 

进程的同步与互斥其实是一种对进程通信的保护机制,并不是用来传输进程之间真正通信的内容的,但是由于它们会传输信号量,所以也被纳入进程通信的范畴,称为低级通信。

 


信号量其实就是一个变量 ,我们可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量,比如:系统中只有一台打印机,就可以设置一个初值为 1 的信号量。

 

用户进程可以通过使用操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作,从而很方便的实现进程互斥或同步。这一对原语就是 PV 操作:

1)P 操作:将信号量值减 1,表示申请占用一个资源。如果结果小于 0,表示已经没有可用资源,则执行 P 操作的进程被阻塞。如果结果大于等于 0,表示现有的资源足够你使用,则执行 P 操作的进程继续执行。

可以这么理解,当信号量的值为 2 的时候,表示有 2 个资源可以使用,当信号量的值为 -2 的时候,表示有两个进程正在等待使用这个资源。不看这句话真的无法理解 V 操作,看完顿时如梦初醒。

 

2)V 操作:将信号量值加 1,表示释放一个资源,即使用完资源后归还资源。若加完后信号量的值小于等于 0,表示有某些进程正在等待该资源,由于我们已经释放出一个资源了,因此需要唤醒一个等待使用该资源(就绪态)的进程,使之运行下去。

 

我觉得已经讲的足够通俗了,不过对于 V 操作大家可能仍然有困惑,下面再来看两个关于 V 操作的问答:

 

问:信号量的值 大于 0 表示有共享资源可供使用,这个时候为什么不需要唤醒进程?

答:所谓唤醒进程是从就绪队列(阻塞队列)中唤醒进程,而信号量的值大于 0 表示有共享资源可供使用,也就是说这个时候没有进程被阻塞在这个资源上,所以不需要唤醒,正常运行即可。

问:信号量的值 等于 0 的时候表示没有共享资源可供使用,为什么还要唤醒进程?

答:V 操作是先执行信号量值加 1 的,也就是说,把信号量的值加 1 后才变成了 0,在此之前,信号量的值是 -1,即有一个进程正在等待这个共享资源,我们需要唤醒它。

 

信号量和 PV 操作具体的定义如下:六大进程通信机制总结 下-开源基础软件社区

 

互斥访问共享内存

两步走即可实现不同进程对共享内存的互斥访问:

定义一个互斥信号量,并初始化为 1
把对共享内存的访问置于 P 操作和 V 操作之间

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P 操作和 V 操作必须成对出现。缺少 P 操作就不能保证对共享内存的互斥访问,缺少 V 操作就会导致共享内存永远得不到释放、处于等待态的进程永远得不到唤醒。六大进程通信机制总结 下-开源基础软件社区

实现进程同步


回顾一下进程同步,就是要各并发进程按要求有序地运行。

举个例子,以下两个进程 P1、P2 并发执行,由于存在异步性,因此二者交替推进的次序是不确定的。假设 P2 的 “代码4” 要基于 P1 的 “代码1” 和 “代码2” 的运行结果才能执行,那么我们就必须保证 “代码4” 一定是在 “代码2” 之后才会执行。六大进程通信机制总结 下-开源基础软件社区

如果 P2 的 “代码4” 要基于 P1 的 “代码1” 和 “代码2” 的运行结果才能执行,那么我们就必须保证 “代码4” 一定是在 “代码2” 之后才会执行。

 

使用信号量和 PV 操作实现进程的同步也非常方便,三步走:

  • 定义一个同步信号量,并初始化为当前可用资源的数量
  • 在优先级较高的操作的后面执行 V 操作,释放资源
  • 在优先级较低的操作的前面执行 P 操作,申请占用资源六大进程通信机制总结 下-开源基础软件社区

配合下面这张图直观理解下:六大进程通信机制总结 下-开源基础软件社区

 

6. 信号


注意!信号和信号量是完全不同的两个概念!

 

信号是进程通信机制中唯一的异步通信机制,它可以在任何时候发送信号给某个进程。通过发送指定信号来通知进程某个异步事件的发送,以迫使进程执行信号处理程序。信号处理完毕后,被中断进程将恢复执行。用户、内核和进程都能生成和发送信号。

 

信号事件的来源主要有硬件来源和软件来源。所谓硬件来源就是说我们可以通过键盘输入某些组合键给进程发送信号,比如常见的组合键 Ctrl+C 产生 SIGINT 信号,表示终止该进程;而软件来源就是通过 kill 系列的命令给进程发送信号,比如 kill -9 1111 ,表示给 PID 为 1111 的进程发送 SIGKILL 信号,让其立即结束。我们来查看一下 Linux 中有哪些信号:六大进程通信机制总结 下-开源基础软件社区

7. Socket
至此,上面介绍的 5 种方法都是用于同一台主机上的进程之间进行通信的,如果想要跨网络与不同主机上的进程进行通信,那该怎么做呢?这就是 Socket 通信做的事情了(当然,Socket 也能完成同主机上的进程通信)。六大进程通信机制总结 下-开源基础软件社区

Socket 起源于 Unix,原意是插座,在计算机通信领域,Socket 被翻译为套接字,它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 Socket 这种约定,一台计算机可以接收其他计算机的数据,也可以向其他计算机发送数据。

从计算机网络层面来说,Socket 套接字是网络通信的基石,是支持 TCP/IP 协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示,包含进行网络通信必须的五种信息:连接使用的协议,本地主机的 IP 地址,本地进程的协议端口,远地主机的 IP 地址,远地进程的协议端口。

Socket 的本质其实是一个编程接口(API),是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层,它对 TCP/IP 进行了封装。它把复杂的 TCP/IP 协议族隐藏在 Socket 接口后面。对用户来说,只要通过一组简单的 API 就可以实现网络的连接。

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8. 总结


简单总结一下上面六种 Linux 内核提供的进程通信机制:

1)首先,最简单的方式就是管道,管道的本质是存放在内存中的特殊的文件。也就是说,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。管道分为匿名管道和有名管道,匿名管道只能在父子进程之间进行通信,而有名管道没有限制。

 

2)虽然管道使用简单,但是效率比较低,不适合进程间频繁地交换数据,并且管道只能传输无格式的字节流。为此消息队列应用而生。消息队列的本质就是存放在内存中的消息的链表,而消息本质上是用户自定义的数据结构。如果进程从消息队列中读取了某个消息,这个消息就会被从消息队列中删除。

 

3)消息队列的速度比较慢,因为每次数据的写入和读取都需要经过用户态与内核态之间数据的拷贝过程,共享内存可以解决这个问题。所谓共享内存就是:两个不同进程的逻辑地址通过页表映射到物理空间的同一区域,它们所共同指向的这块区域就是共享内存。如果某个进程向共享内存写入数据,所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。

 

对于共享内存机制来说,仅在建立共享内存区域时需要系统调用,一旦建立共享内存,所有的访问都可作为常规内存访问,无需借助内核。这样,数据就不需要在进程之间来回拷贝,所以这是最快的一种进程通信方式。

 

4)共享内存速度虽然非常快,但是存在冲突问题,为此,我们可以使用信号量和 PV 操作来实现对共享内存的互斥访问,并且还可以实现进程同步。

 

5)信号和信号量是完全不同的两个概念!信号是进程通信机制中唯一的异步通信机制,它可以在任何时候发送信号给某个进程。通过发送指定信号来通知进程某个异步事件的发送,以迫使进程执行信号处理程序。信号处理完毕后,被中断进程将恢复执行。用户、内核和进程都能生成和发送信号。

 

6)上面介绍的 5 种方法都是用于同一台主机上的进程之间进行通信的,如果想要跨网络与不同主机上的进程进行通信,就需要使用 Socket 通信。另外,Socket 也能完成同主机上的进程通信。

 

总结完毕!

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已于2021-3-18 09:44:54修改
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