进程通信机制，进程/线程的同步
1. 进程互斥、同步的概念
进程互斥、同步的概念是并发进程下存在的概念，有了并发进程，就产生了资源的竞争与协作，从而就要通过进程的互斥、同步、通信来解决资源的竞争与协作问题。
在多道程序设计系统中，同一时刻可能有许多进程，这些进程之间存在两种基本关系：竞争关系和协作关系。
进程的互斥、同步、通信都是基于这两种基本关系而存在的。
为了解决进程间竞争关系（间接制约关系）而引入进程互斥；
为了解决进程间松散的协作关系( 直接制约关系)而引入进程同步；
为了解决进程间紧密的协作关系而引入进程通信。
1.1 竞争关系
系统中的多个进程之间彼此无关，它们并不知道其他进程的存在，并且也不受其他进程执行的影响。例如，批处理系统中建立的多个用户进程， 分时系统中建立的多个终端进程。由于这些进程共用了一套计算机系统资源，因而， 必然要出现多个进程竞争资源的问题。当多个进程竞争共享硬设备、存储器、处理器 和文件等资源时，操作系统必须协调好进程对资源的争用。
资源竞争出现了两个控制问题：
一个是死锁 （deadlock ）问题，一组进程如果都获得了部分资源，还想要得到其他进程所占有的资源，最终所有的进程将陷入死锁。
另一个是饥饿（starvation ）问题，这是指这样一种情况：一个进程由于其他进程总是优先于它而被无限期拖延。
操作系统需要保证诸进程能互斥地访问临界资源，既要解决饥饿问题，又要解决死锁问题。
进程的互斥（mutual exclusion ）是解决进程间竞争关系( 间接制约关系) 的手段。 进程互斥指若干个进程要使用同一共享资源时，任何时刻最多允许一个进程去使用，其他要使用该资源的进程必须等待，直到占有资源的进程释放该资源。
1.2 协作关系
某些进程为完成同一任务需要分工协作，由于合作的每一个进程都是独立地以不可预知的速度推进，这就需要相互协作的进程在某些协调点上协调各自的工作。当合作进程中的一个到达协调点后，在尚未得到其伙伴进程发来的消息或信号之前应阻塞自己，直到其他合作进程发来协调信号或消息后方被唤醒并继续执行。这种协作进程之间相互等待对方消息或信号的协调关系称为进程同步。
进程间的协作可以是双方不知道对方名字的间接协作，例如，通过共享访问一个缓冲区进行松散式协作；也可以是双方知道对方名字，直接通过通信机制进行紧密协作。允许进程协同工作有利于共享信息、有利于加快计算速度、有利于实现模块化程序设计。
进程的同步（Synchronization）是解决进程间协作关系( 直接制约关系) 的手段。
进程同步指两个以上进程基于某个条件来协调它们的活动。一个进程的执行依赖于另一个协作进程的消息或信号，当一个进程没有得到来自于另一个进程的消息或信号时则需等待，直到消息或信号到达才被唤醒。
不难看出，进程互斥关系是一种特殊的进程同步关系，即逐次使用互斥共享资源，也是对进程使用资源次序上的一种协调。
2. 进程通信
2.1 进程通信的概念
并发进程之间的交互必须满足两个基本要求：同步和通信。
进程竞争资源时要实施互斥，互斥是一种特殊的同步，实质上需要解决好进程同步问题。进程同步是一种进程通信，通过修改信号量，进程之间可建立起联系，相互协调运行和协同工作。但是信号量与PV操作只能传递信号，没有传递数据的能力。有些情况下进程之间交换的信息量很少（例如，仅仅交换某个状态信息），很多情况下进程之间需要交换大批数据（例如，传送一批信息或整个文件），这可以通过一种新的通信机制来完成，进程之间互相交换信息的工作称之为进程通信IPC （InterProcess Communication）（主要是指大量数据的交换）。
进程通信也就是所谓的IPC问题，主要是指进程间交换数据的方式。进程通信包括高级通信与低级通信，其中进程同步与互斥属于低级通信，主要用于传递控制信号；高级通信包括三种：共享内存、消息队列、管道。
2.2 进程间通信的方式
进程间通信的方式很多，包括：
1）管道
2）FIFO（命名管道）
3）信号（signal）
4）信号量（semophore，与signal无关）
5）消息队列（重要）
6）共享内存
7）套接字（socket）
管道、FIFO、信号、信号量、消息队列、共享内存、套接字是进程的通信机制，且其中的信号量既可用于进程、线程的同步，又可用于进程的通信。
2.3 几种方式的介绍
2.3.1 管道和FIFO
管道与管程是不同的，管程是进程同步的方式，而管道则是进程通信的方式。
管道，还有命名管道和非命名管道(即匿名管道)之分，非命名管道(即匿名管道)只能用于父子进程通讯，命名管道可用于非父子进程，命名管道就是FIFO，管道是先进先出的通讯方式 。
2.3.2 信号和信号量
信号(signal)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)是进程同步与互斥的常用方法，也可以作为低级的进程通信方法，用于传递控制信号。
本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：
1）测试控制该资源的信号量；
2）若此信号量的值为正，则允许进程使用该资源，进程将进号量减1；
3）若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤1)；
4）当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1，如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。
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。
2.3.3 消息队列
消息队列，是用于两个进程之间的通讯，首先在一个进程中创建一个消息队列，然后再往消息队列中写数据，而另一个进程则从那个消息队列中取数据。需要注意的是，消息队列是用创建文件的方式建立的，如果一个进程向某个消息队列中写入了数据之后，另一个进程并没有取出数据，即使向消息队列中写数据的进程已经结束，保存在消息队列中的数据并没有消失，也就是说下次再从这个消息队列读数据的时候，就是上次的数据。
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。
2.3.4 共享内存
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，如信号量配合使用，来实现进程间的同步和通信。
2.3.5 套接字
套接字也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同进程间的通信。套接字通信并不为Linux所专有，在所有提供了TCP/IP协议栈的操作系统中几乎都提供了socket，而所有这样操作系统，对套接字的编程方法几乎是完全一样的
2.4 几种方式的比较：
1）管道：速度慢，容量有限，只有父子进程能通讯；
2）FIFO：任何进程间都能通讯，但速度慢；
3）消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题；
4）信号量：不能传递复杂消息，只能用来同步；
5）共享内存区：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全，当然，共享内存区同样可以用作线程间通讯，不过没这个必要，线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存；
3. 进程/线程同步
前面提到，进程互斥关系是一种特殊的进程同步关系，下面给出常见的进程同步的方法，实际上也可用于进程的互斥（个人理解）。
3.1 进程同步方式
Linux 下常见的进程同步方式有：
1）临界区
2）互斥量
3）信号量
4）事件
3.2 线程同步方式
常见的多线程(pthread)同步方式除包括临界区、互斥量、信号量、事件外，还有条件变量(pthread_cond)、读写锁(reader-writer lock)、自旋锁。
3.3 临界区
保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问，如果有多个线程试图同时访问临界区，那么在有一个线程进入后，其他所有试图访问此临界区的线程将被挂起，并一直持续到进入临界区的线程离开。临界区在被释放后，其他线程可以继续抢占，并以此达到用原子方式操作共享资源的目的。
临界区包含两个操作原语：
EnterCriticalSection() 进入临界区
LeaveCriticalSection() 离开临界区
EnterCriticalSection()语句执行后代码将进入临界区，以后无论发生什么，必须确保与之匹配的LeaveCriticalSection()都能够被执行到。否则临界区保护的共享资源将永远不会被释放。
临界区是一种轻量级的同步机制，与互斥和事件这些内核同步对象相比，临界区是用户态下的对象，即只能在同一进程中实现线程互斥。因无需在用户态和核心态之间切换，所以工作效率比较互斥来说要高很多。虽然临界区同步速度很快，但却只能用来同步本进程内的线程，而不可用来同步多个进程中的线程。
3.4 互斥量
互斥量跟临界区很相似，只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限，由于互斥对象只有一个，因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多个线程所访问。当前占据资源的线程在任务处理完后应将拥有的互斥对象交出，以便其他线程在获得后得以访问资源。互斥量比临界区复杂，因为使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。
互斥量包含的几个操作原语：
CreateMutex() 创建一个互斥量
OpenMutex() 打开一个互斥量
ReleaseMutex() 释放互斥量
WaitForMultipleObjects() 等待互斥量对象
3.5 信号量（Semaphores）
信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，信号量允许多个线程同时使用共享资源，这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。在用CreateSemaphore()创建信号量时，要同时指出允许的最大资源计数和当前可用资源计数。一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数，每增加一个线程对共享资源的访问，当前可用资源计数就会减1，只要当前可用资源计数是大于0的，就可以发出信号量信号。但是当前可用计数减小到0时则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大数目， 不能再允许其他线程的进入，此时的信号量信号将无法发出。线程在处理完共享资源后，应在离开的同时通过ReleaseSemaphore()函数将当前可用资源计数加1。在任何时候当前可用资源计数决不可能大于最大资源计数。
PV操作及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的。信号量S是一个整数，S大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但S小于零时则表示正在等待使用共享资源的进程数。
P操作 申请资源：
1）S减1；
2）若S减1后仍大于等于零，则进程继续执行；
3）若S减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转入进程调度。
V操作 释放资源：
1）S加1；
2）若相加结果大于零，则进程继续执行；
3）若相加结果小于等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程，然后再返回原进程继续执行或转入进程调度。
信号量包含的几个操作原语：
CreateSemaphore() 创建一个信号量
OpenSemaphore() 打开一个信号量
ReleaseSemaphore() 释放信号量
WaitForSingleObject() 等待信号量
3.6 事件（Event）
事件对象也可以通过通知操作的方式来保持线程的同步。并且可以实现不同进程中的线程同步操作。
事件包含的几个操作原语：
CreateEvent() 创建一个事件
OpenEvent() 打开一个事件
SetEvent() 回置事件
WaitForSingleObject() 等待一个事件
WaitForMultipleObjects() 等待多个事件
3.7 条件变量
与互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。
条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：
- 一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；
- 另一个线程使 “条件成立”（给出条件成立信号）。
【原理】：
条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。
【条件变量的操作流程如下】：
1）初始化：init()或者pthread_cond_tcond=PTHREAD_COND_INITIALIER；属性置为NULL；
2）等待条件成立：pthread_wait，pthread_timewait.wait()释放锁，并阻塞等待条件变量变为真，timewait()设置等待时间,仍未signal，返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)；
3）激活条件变量：pthread_cond_signal，pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)
4）清除条件变量：destroy；无线程等待,否则返回EBUSY，清除条件变量。
3.8 读写锁
读写锁与互斥量类似，不过读写锁允许读取的并行性。互斥量要么是锁住状态，要么就是不加锁状态，而且一次只有一个线程可以对其加锁。
- 读写锁可以有3种状态：读模式下加锁状态、写模式加锁状态、不加锁状态。
- 一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。
【读写锁的特点】:
- 如果有线程读数据，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作；
- 如果有线程写数据，则其它线程都不允许读、写操作。
【读写锁的规则】:
- 如果某线程申请了读锁，其它线程可以再申请读锁，但不能申请写锁；
- 如果某线程申请了写锁，其它线程不能申请读锁，也不能申请写锁。
读写锁适合于对数据结构的读次数比写次数多得多的情况。
3.9 自旋锁
自旋锁与互斥量功能一样，唯一一点不同的就是互斥量阻塞后休眠让出cpu，而自旋锁阻塞后不会让出cpu，会一直忙等待，直到得到锁。
自旋锁在用户态使用的比较少，在内核使用的比较多。自旋锁的使用场景：锁的持有时间比较短，或者说小于2次上下文切换的时间。
自旋锁在用户态的函数接口和互斥量一样，把pthread_mutex_xxx()中mutex换成spin，如：pthread_spin_init()。
3.10 小结
1） 互斥量与临界区的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是说它可以跨越进程使用。所以创建互斥量需要的资源更多，所以如果只为了在进程内部是用的话使用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量 。因为互斥量是跨进程的，互斥量一旦被创建，就可以通过名字打开它。
2） 互斥量（Mutex）、信号量（Semaphore）、事件（Event）都可以被跨越进程使用来进行同步数据操作，而其他的对象与数据同步操作无关，但对于进程和线程来讲，如果进程和线程在运行状态则为无信号状态，在退出后为有信号状态。所以可以使用WaitForSingleObject来等待进程和线程退出。
3）通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用，但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理，比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统，可以根据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作，这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求，信号量对象可以说是一种资源计数器。
3.11 信号量与互斥锁的区别
信号量用于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，其他的线程才可以开始利用这个资源，比如对全局变量的访问，有时要加锁，操作完了再解锁。有的时候互斥锁和信号量会同时使用。
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 | 上锁时 |
| 信号量 | 进程间或线程间(Linux仅线程间的无名信号量pthread semaphore) | 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1。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1,但是sem_wait返回之前还是会将此value值减1； |
| 互斥锁 | 线程间 | 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源； |
4. 总结
1）进程互斥、同步与通信的关系：进程竞争资源时要实施互斥，互斥是一种特殊的同步，实质上需要解决好进程同步问题，进程同步是一种进程通信，由此看来，进程互斥、同步都可以看做进程的通信；
2）信号量是进程同步与互斥的常用方法，也可以作为低级的进程通信方法，用于传递控制信号；
3）管道与管程是不同的，管程是进程同步的方式，而管道则是进程通信的方式；
5. 关键术语
1）临界资源：
临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源。各进程采取互斥的方式，实现共享的资源称作临界资源。属于临界资源的硬件有打印机、磁带机等，软件有消息队列、变量、数组、缓冲区等。诸进程间采取互斥方式，实现对这种资源的共享。
2）临界区
每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（criticalsection），每次只允许一个进程进入临界区，进入后，不允许其他进程进入。不论是硬件临界资源还是软件临界资源，多个进程必须互斥的对它进行访问。多个进程涉及到同一个临界资源的的临界区称为相关临界区。使用临界区时，一般不允许其运行时间过长，只要运行在临界区的线程还没有离开，其他所有进入此临界区的线程都会被挂起而进入等待状态，并在一定程度上影响程序的运行性能。
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参考：https://blog.csdn.net/my8688/article/details/85197921