操作系统线程和进程的同步机制和通信机制

现在流行的进程线程同步互斥的控制机制，其实是由最原始最基本的4种方法实现的。由这4种方法组合优化就有了.Net和Java下灵活多变的，编程简便的线程进程控制手段:
临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）、信号量（Semaphore）、事件（Event）

1. 线程间的同步通信机制

1.1 临界区

通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。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访问公共资源，那么在有一个线程进入后，其他试图访问公共资源的线程将被挂起，并一直等到进入临界区的线程离开，临界区在被释放后，其他线程才可以抢占。

1.2 互斥量

采用互斥对象机制。 只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限，因为互斥对象只有一个，所以能保证公共资源不会同时被多个线程访问。互斥不仅能实现同一应用程序的公共资源安全共享，还能实现不同应用程序的公共资源安全共享 .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。

1.3 信号量

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 .信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，信号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。
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。

1.4 事件

通过通知操作的方式来保持线程的同步，还可以方便实现对多个线程的优先级比较的操作 .

总结

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（互斥量可以跨越进程使用）。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。在 windows 编程中互斥器(Mutex)可以跨进程使用，而临界区(critical section)只能在进程内部各线程间使用。

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。

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，信号灯对象可以说是一种资源计数器。

1. 临界区和互斥量都有“线程所有权”的概念，所以它们是不能用来实现线程间的同步的，只能用来实现互斥。
2. 事件和信号量都可以实现线程和进程间的互斥和同步。但是事件和信号量都无法解决遗弃问题。
3. 临界区的效率是最高的，因为它不是内核对象。但是临界区不能跨进程使用。 事件，互斥量，信号量都是内核对象，可以跨进程使用，但相应的效率也会低很多。

临界区、互斥量、信号量、事件的区别

• 临界区（Critical Section）：适合一个进程内的多线程访问公共区域或代码段时使用
• 互斥量 (Mutex)：适合不同进程内多线程访问公共区域或代码段时使用，与临界区相似。
• 信号量（Semaphore）：与临界区和互斥量不同，可以实现多个线程同时访问公共区域数据。可以跨进程使用。原理与操作系统中PV操作类似，先设置一个访问公共区域的线程最大连接数，每有一个线程访问共享区资源数就减一，直到资源数小于等于零。
• 事件（Event）：通过线程间触发事件实现同步互斥

同步和互斥：临界区和互斥器都有“线程所有权”的概念，所以它们是不能用来实现线程间的同步的，只能用来实现互斥。原因是由于创建临界区或互斥器的线程可以不用等待LeaveCriticalSection(),SetEvent()就可以无条件进入保护的程序段，因为它拥有这个权利。事件和信号量都可以实现线程和进程间的互斥和同步。

处理“遗弃”操作：互斥器可以很好的处理”遗弃“操作。若线程在未释放对象的时候就意外终止的，其它线程可以等待到一个WAIT_ABANDONED_0。但是事件和信号量都不能做到。事件和信号量都无法解决遗弃问题。

使用效率：临界区的效率是最高的，因为它不是内核对象，而其它的三个都是核心对象，要借助操作系统来实现，效率相对来说就比较低。但如果要跨进程使用还是要用到互斥器、事件对象和信号量。

2. 进程和线程的区别

答：线程是指进程内的一个执行单元,也是进程内的可调度实体。

与进程的区别:

(1)调度：线程作为调度和分配的基本单位，进程作为拥有资源的基本单位。

(2)并发性：不仅进程之间可以并发执行，同一个进程的多个线程之间也可并发执行。

(3)拥有资源：进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但可以访问隶属于进程的资源.

(4)系统开销：在创建或撤消进程时，由于系统都要为之分配和回收资源，导致系统的开销明显大于创建或撤消线程时的开销。

3. 进程间通讯方式有哪些，各有什么优缺点

1. 管道：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之间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
2. 有名管道（FIFO）：有名管道也是半双工的通信方式，但是允许在没有亲缘关系的进程之间使用，管道是先进先出的通信方式。
3. 信号量：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。
4. 消息队列：消息队列是有消息的链表，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。
5. 信号 ( signal ) ：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。
6. 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 进程间通信（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。
7. 套接字( socket ) ：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，它可用于不同机器间的进程通信。