操作系统复习第二篇

进程间的通信方式有匿名管道命名管道消息队列共享内存，大部分进程间通信的方式都是依靠内核缓存区来进行的，因为内核缓冲区天然虚拟转物理是相同的，但是用户空间不一样，如果手动实现在用户空间你会面临写实拷贝的问题
匿名管道用于具有血缘关系的进程间通信，命名管道可以让两个没有血缘关系的进程进行通信，它们的数据传输方式都是字节流，共享内存就是实现在物理空间，让不同的进程物理空间指向同一块，会带来共享资源带来的竞争问题，需要用户自己来维护。
信号量可以用来保护共享资源，PV操作是具体的实现，PV操作都是原子的，信号是异步机制的，进程对信号的处理方式有三种，对应的是存储在PCB里面的三张表，分别是执行默认操作，捕捉信号，忽略信号，有的信号是天然不能被捕捉的，防止不死不灭的进程出现！世间的万物都有寿命，植物，动物，人类，等等万物都会归于沉寂，如果意识不到时间的有限性，如何做到珍惜时间呢？
SOCKET通信方式，可以用于不同主机间的进程通信。

 在CPU执行任务的过程中，它是一个一个线程进行调度的，这里就可以知道进程是资源分配的基本单位，为什么，因为创建进程，你需要为它创建页表，创建映射关系，还需要创建PCB，创建内存管理资源等等，而同一个进程下的线程是共享页表等这些资源的，所以线程是CPU调度的基本单位，操作系统一个CPU在任一时刻只能处理一个线程，但是给我们造成在处理多个线程的假象是CPU的调度机制，大O（1）调度队列，一个活跃队列一个过期队列，根据时间片和时钟中断来进行并发的公平的调度算法。由于公平调度的线程这一做法，自然就有一个问题，对于共享资源的访问会出现问题，i++自增来两个线程就会发现问题的出现，为了解决对共享资源的修改导致数据错乱的这一问题，我们需要使用锁来进行对共享资源的访问，对共享资源的访问我们叫做竞争条件，将访问共享资源的代码片段称为临界区，我们希望这段代码是互斥的，保证在同一时刻只能有一个线程进来访问。
知道了互斥，我们还需要知道同步，同步说人话就是让线程执行有一定的顺序性，当你饿了，你让妈妈做菜，但是你得等待饭好了才能吃，饭做好你才能吃，这就叫顺序，锁和信号量可以实现互斥与同步。
生产者消费者模型也来介绍一下，所谓的生产者就是生产任务的，所谓的消费者，就是消费任务的，好像说的是废话，生产者把生产好的任务放到缓冲区里，消费者从缓冲区里拿任务，访问缓冲区的代码就是临界区，生产者放任务的时候消费者不能来拿，生产的过程和消费的过程是独立的，只有放任务的时候和拿任务的过程是需要保护的，因为它们都访问同一个缓冲区！

如何避免死锁呢？
死锁必须满足互斥条件，持有并等待，不可剥夺条件，环路等待条件，一般选择破坏环路等待的条件来避免死锁，即让不同的线程申请锁的顺序相同，避免互相持有。A线程和B线程都是先获得A资源再获得B资源，然后每个资源都加锁，不活的A资源就无法获得B资源。

加锁的目的是为了在同一时间了，只让一个线程进来访问共享资源，互斥锁获得锁失败后，线程会释放CPU，给其他线程。自旋锁说不，我就不释放，我会一直等，知道你把锁给我！
互斥锁是一种独占锁，当线程A加锁成功后，在线程A没有释放锁之前，线程B来申请锁，它会失败，失败后，线程B就放掉了CPU，B线程就被阻塞了。这个过程是内核来保证的，用户只需要调用对应的接口来调用就可以。
加锁失败后，内核会将线程设置为休眠状态，内核会在合适的时机唤醒线程，当获得锁后就可以继续执行了。
所以线程加锁失败后，会从用户陷入内核，让内核帮助我们切换线程，有成本。运行到休眠休眠到运行队列的切换不需要成本m ?
线程的上下文切换是切换什么，由于虚拟内存共享，所以只需要切换独有的数据，寄存器等不共享的数据，切换的开销是几十纳秒，如果你的代码过于短小，你执行代码的时间还没有切换的开销大，那你不是杀鸡用牛刀吗？资源浪费，这个时候你应该使用自旋锁。
下面来说明一下为什么互斥锁竞争锁会陷入内核，因为你把这个线程从运行列入阻塞队列是谁能操作，谁来操作，只有内核，当你的锁被释放，把等待的线程列入运行队列，谁来，谁能来，只有内核有这个权限。内核说，我来你们都不行。
什么是自旋锁？自旋锁是CPU提供的CAS函数来实现的，在用户态实现加锁和解锁，不会主动产生线程上下文切换的开销，加锁的过程一般是查看锁的状态，然后拿过来变成自己的，自旋锁把这两个步骤合二为一，变成原子的，自旋锁在单核CPU上不断地进行时钟中断，不然自旋锁一直占用CPU。它不会主动放弃CPU的资源。
说白了互斥锁是你追女神，女神拒绝了你，你就寻找下一个女神了，自旋锁就是你追女神，女神拒绝了你，你还要去追，直到追到为止，时钟中断就是强迫你不追了，但是你回来之后还是要追，犟驴。

读写锁：读写锁顾名思义，跟共享资源的读取和写入有关系，读锁就是多个线程可以访问同一个公共资源，多个线程可以持有一个锁，当有一个线程持有写锁的时候，所有读线程都要阻塞，而且其他线程也不可以再获得写锁！
写锁是独占锁，智能一个线程持有，读锁是共享锁，可以多个线程同时持有。
根据这些特性，可以发现，读写锁可以在读多写少的情况下发挥出作用。
根据读锁的特性它的期望是让多个线程同时获得读锁，而不是频繁的去写，所以根据这一特性，当有写线程要获得写锁，但是还有读线程持有读锁的时候，写锁是不会被获得的，只有当所有的读线程退出，写锁才能被写线程获取。这个方式叫读优先锁。
同样的还有一种锁叫写优先锁，写优先就是当写线程要获得锁，但是有别的线程持有读锁，其它线程还想要获取的时候就不让它获取，只要现有的读取锁全部被释放，写线程就会立即获得写锁。

我们还需要熟悉锁和条件变量的概念并进行具体的代码开发，实践与理论相结合，才能更好的理解锁。对于加锁和解锁的理解是你要限制线程对于一个共享资源的访问，你就给这个线程加锁，有几个共享资源，你就加几个锁。
// 生产者：添加消息
void put_message(const std::string& msg) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
messages.push(msg);
std::cout << "Produced: " << msg << std::endl;

// 通知消费者有新消息
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

    // 消费者：获取消息
std::string get_message() {
pthread_mutex_lock(&mutex);

// 等待直到有消息或关闭
while (messages.empty() && !shutdown) {
std::cout << "Consumer waiting for message..." << std::endl;
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);进入等待队列
}

if (shutdown && messages.empty()) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return "SHUTDOWN";
}

std::string msg = messages.front();
messages.pop();
std::cout << "Consumed: " << msg << std::endl;

pthread_mutex_unlock(&mutex);
return msg;
}

下面还有悲观锁和乐观锁，看字面意思，联想一下，悲观就是认为这个共享资源天然的有多线程进行访问，会引发激烈的竞争。乐观锁就是认为共享资源不会引发激烈的竞争。

进行总结：我们知道了什么？知道了互斥锁自旋锁，读锁写锁，悲观锁乐观锁
互斥锁就是当线程尝试去获得锁的时候，发现锁没有了，就会进行线程切换，不管你的时间片有没有到，直接剥离，把你列入阻塞队列里去，当拿锁的线程释放锁的时候告诉OS，操作系统再把你列入到运行队列里，OS进行线程切换有开销，如果你的代码内容还没开销大，你就别切了，你干脆稍微等一下，等到持有锁的线程把这个锁释放了，这个就叫自旋锁。
读写锁基于互斥锁和自旋锁实现，但是还没见过具体的代码，读写锁有读优先锁和写优先锁，读就是倾向于读线程，写就是倾向于写，但是这两种方式都容易造成线程饥饿的问题，所以我们还有公平的调度读写锁。
接下来是悲观锁和乐观锁，悲观锁是先拿到锁再修改数据，乐观锁是先修改数据再进行查看。