操作系统并发与进程间通信技术解析

### 操作系统并发与进程间通信技术解析 在操作系统和并发编程领域，存在着诸多关键技术和概念，它们对于构建高效、稳定的系统至关重要。下面我们将深入探讨操作系统并发编程以及进程间通信的相关内容。 #### 操作系统中的并发 在操作系统中，并发编程是提高系统性能和效率的重要手段。例如，在一个计算程序中，`sum` 变量的计算可以在独立的线程中运行，与主程序所在的线程不同。程序的执行从 `main` 函数开始，通过命令行调用该程序时，需要提供一个正整数作为参数。程序首先会检查该参数的有效性，然后使用 `pthread_create()` 函数创建一个新线程。这个函数需要传入新线程的唯一线程 ID 引用、默认属性引用、线程创建后要执行的函数名以及从命令行获取的整数参数。主线程会使用 `pthread_join()` 函数等待新线程执行完毕，新线程退出后，主线程会打印出 `sum` 变量的值。 新线程会在 `thread_control` 函数中开始执行，该函数的参数来自于 `pthread_create()` 函数的调用。在这个函数中，线程会计算前 `upper` 个整数的平方和，并将结果存储在 `sum` 变量中，最后调用 `pthread_exit()` 函数向其他线程表明自己已经终止。 #### Ada 语言中的任务机制 Ada 编程语言为并发编程提供了一种不同且更为抽象的方法，其并发模型基于任务（tasks）。任务是一种语言级别的构造，通常通过操作系统的线程或进程来实现。 以下是一个 Ada 任务的示例代码： ```ada with Ada.Command Line; with Ada.Text IO; use Ada.Text IO; procedure Tasks is task type Square is entry Start (I : in Integer); entry Get Result (R : out Integer); end Square; task body Square is J : Integer; V : Integer; begin Put Line("A Square task is starting ... "); accept Start (I : in Integer) do J := I; Put Line("A Square task has been given J =" & Integer'Image(J)); end Start; V := J * J; Put Line("A Square task has calculated V =" & Integer'Image(V)); accept Get Result (R : out Integer) do R := V; end Get Result; Put Line("A Square task is ending."); end Square; P : Positive; T : Natural := 0; begin Put Line("Tasks example starting..."); P := Positive'Value(Ada.Command Line.Argument(1)); declare S : array (1.. P) of Square; R : Integer; begin for I in S'Range loop S(I).Start(I); end loop; for I in S'Range loop S(I).Get Result(R); T := T + R; end loop; end; Put Line("Tasks example ending, sum of squares 1 to" & Integer'Image(P) & " is" & Integer'Image(T) & "."); end Tasks; ``` 这个示例的功能是计算 1 到 `n` 的平方和，与前面提到的 `pthread.c` 程序实现了相同的计算功能。代码中的第 9 行声明了一个任务类型 `Square`，这意味着我们可以创建该类型的实例。这些任务在声明时会被激活，在这个例子中，由于第 40 行的声明，任务在第 42 行被激活。 任务 `Square` 声明了两个入口点：`Start` 和 `Get Result`，它们是同步点，类似于过程调用。其他任务可以调用这些入口点，调用者和被调用者会进行会合（rendezvous）。例如，对于给定的 `I`，`Square(I)` 在第 19 行的 `accept Start (...)` 处等待，而主程序在第 44 行调用 `S(I).Start(I)`。 需要注意的是，除了第 40 行声明的任务外，主程序本身也隐式地是一个任务，有时被称为“匿名环境任务”。当一个 `Square` 任务启动后，它会打印一条信息，然后在 `accept` 语句处等待会合。会合发生后，程序会继续执行。在实际程序中，第 23 行的计算（`V := J * J;`）可能会比较耗时，适合进行并行处理。但在这个特定的例子中，使用任务的开销可能会超过其带来的好处。 #### 进程间通信概述 进程间通信（IPC）涵盖了一系列机制，其目的是允许一个进程与另一个进程进行通信。主要有两种机制： - **消息传递**：涉及从一个进程发送到另一个进程的消息队列。进程代数 CSP 就利用消息传递进行进程通信。 - **共享内存**：多个进程可以访问同一块内存区域。 为了防止竞态条件，这两种机制都需要互斥操作，特别是共享内存 IPC。实际实现中，通常会使用信号量或互斥锁（mutex）原语来避免竞态条件。系统中一些神秘的间歇性故障往往可以追溯到共享数据结构的交互问题。 对于 Linux 程序员来说，有以下几种选择： - **System V 进程间通信**：包括消息传递、信号量和共享内存。 - **POSIX 线程（Pthreads）**：提供了互斥锁、条件变量和信号量（与 System V 信号量不同）。 #### Pthreads 在 Linux 中的进程间通信示例 ##### 互斥锁与共享内存 互斥锁是保护共享内存的重要机制，也是 Pthreads 库的重要组成部分。下面是一个使用互斥锁保护共享整数变量 `x` 的示例代码： ```c #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> pthread_mutex_t mutex; int x = 0; void increase_x(void) { int temp; pthread_mutex_lock(&mutex); temp = x; temp += 1; x = temp; pthread_mutex_unlock(&mutex); } void* ThreadBehaviour(void *argument) { char *name = (char*)argument; if (name != NULL) { increase_x(); printf("Value of x is %d in %s\n", x, name); } pthread_exit(NULL); return 0; } int main() { pthread_t threadA, threadB; if (pthread_mutex_init(&mutex, NULL) < 0) { perror("pthread_mutex_init failed"); exit(EXIT_FAILURE); } if (pthread_create(&threadA, NULL, ThreadBehaviour, (void *)"Thread A") != 0) { perror("pthread_create failed"); exit(EXIT_FAILURE); } if (pthread_create(&threadB, NULL, ThreadBehaviour, (void *)"Thread B") != 0) { perror("pthread_create failed"); exit(EXIT_FAILURE); } pthread_join(threadA, NULL); pthread_join(threadB, NULL); pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; } ``` 在这个示例中，声明了一个互斥锁 `mutex`，在主程序中初始化了两个线程。每个线程都会执行 `ThreadBehaviour()` 函数，该函数会调用 `increase_x()` 函数来增加全局变量 `x` 的值（该变量由互斥锁保护），然后输出当前 `x` 的值和线程的名称。 ##### 信号量 信号量是管理共享资源的重要机制。在 Pthreads 中使用信号量，需要包含 `semaphore.h` 文件，编译时需要使用 `-lpthread` 选项来链接 Pthreads 库。核心的信号量操作函数包括： - `sem_open()`：将命名信号量与进程连接起来，之后可以使用其他函数对信号量进行操作。 - `sem_wait()`：对信号量进行加锁操作。如果信号量的值为 0，调用线程会等待，直到获得锁或被信号中断。 - `sem_post()`：对信号量进行解锁操作。如果没有等待的线程，信号量的值会增加；否则，会允许一个阻塞的线程从 `sem_wait()` 调用中返回，具体选择哪个线程由 POSIX 调度策略决定。 以下是一个使用信号量保护临界区的示例代码： ```c #include <errno.h> #include <pthread.h> #include <semaphore.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #define DELAY 100000L #define DICT_SIZE 1024 int main() { c ```