《互斥同步与通讯》课件

互斥同步与通讯探讨计算机系统中多个进程或线程之间的同步与通信机制,包括互斥锁、信号量、消息队列等常见方法。了解并掌握这些基本概念对于系统设计与编程至关重要。JYbyJacobYan课程介绍课堂教学本课程将通过课堂互动授课的形式,系统地讲解操作系统中的进程同步与通信机制。动手练习学生将在实验环境中编写代码,亲身体验进程同步与通信的各种问题和解决方案。小组交流学生将组成小组,讨论课程中涉及的重点问题,增进对知识的理解。同步与互斥的概念同步多个进程/线程需要协调好时间先后关系,以确保数据的正确性和完整性。互斥任何时刻只允许一个进程/线程访问共享资源,避免资源竞争和数据不一致。协调通过同步和互斥,多个进程/线程可以有序地访问共享资源,避免冲突。进程的同步问题1发生的情况当多个进程访问共享资源时,如果不加以同步控制,将会导致数据错误和系统崩溃。2同步要求进程间必须达成同步一致,避免资源争抢和数据竞争。3同步措施使用互斥机制、信号量、管程等方法实现进程间的同步与协作。进程同步是操作系统的核心问题之一。当多个进程并发访问共享资源时,如果不加以同步控制,就会导致数据错误和系统崩溃。因此,实现进程间的同步协调是非常重要的,需要采取互斥、信号量等特殊机制来确保资源访问的正确性和系统的稳定性。互斥与同步机制互斥互斥指的是对共享资源的独占使用,确保同一时间只有一个进程可以访问和修改该资源。互斥通过加锁机制实现,确保资源的一致性和完整性。同步同步是指多个进程或线程之间的协调工作,确保它们以正确的顺序执行。同步通过信号量、事件等机制实现,保证进程之间的协调和数据的正确性。差异互斥是为了保护共享资源的独占使用,而同步是为了协调多个进程的执行顺序。互斥确保资源的一致性,同步确保进程之间的协调性。应用互斥和同步机制广泛应用于操作系统、分布式系统等需要并发执行的场景,确保系统的正确性和可靠性。信号量的使用信号量简介信号量是一种用于进程同步和互斥的机制,它允许多个进程访问共享资源。信号量的操作信号量通过wait()和signal()两个原子操作来控制对共享资源的访问。信号量分类信号量分为二进制信号量(二值信号量)和计数信号量,满足不同同步需求。信号量应用信号量可用于实现生产者-消费者问题、哲学家进餐问题等同步问题的解决。生产者-消费者问题1生产生产者生产产品2缓存使用缓冲区临时存储产品3消费消费者从缓冲区取出并使用产品生产者-消费者问题是一个典型的进程同步问题。生产者和消费者通过共享缓冲区进行通信和协调。当缓冲区为空时,消费者需要等待生产者生产;当缓冲区已满时,生产者需要等待消费者消费。这需要使用互斥锁和信号量等机制来实现生产者和消费者的同步。哲学家进餐问题哲学家回家用餐五个哲学家回到房间中共享一个环形餐桌，每个人手边都有一把叉子。需要两把叉子进餐每个哲学家都必须同时拥有左右两把叉子才能开始进餐。叉子资源有限由于叉子数量有限,如果所有人同时试图拿取叉子,就会发生死锁。设计同步机制需要通过互斥机制解决这一资源争夺问题,确保每个哲学家都能安全进餐。读者-写者问题1读者优先在读者-写者问题中,读者有优先访问权限,写者必须等待读者操作完成后才能进行写入。这确保了数据的一致性和完整性。2写者排队如果有多个写者同时请求访问,他们会被安排成一个队列,依次执行写入操作。这种机制避免了写者之间的冲突。3读者互不干扰多个读者可以同时进行读取操作,不会相互影响。这确保了读取效率,同时也避免了读者之间的争用。内核与用户态进程1内核态内核是操作系统的核心部分,负责管理硬件资源和提供基本服务。内核运行在最高特权级,可以直接访问硬件。2用户态用户进程运行在较低特权级,受到内核的严格控制。它们只能通过系统调用来访问受保护的资源。3状态切换当用户进程需要访问受保护资源时,会触发内核态和用户态之间的切换,以确保安全性和稳定性。4性能影响频繁的内核态和用户态切换会给系统性能带来一定的开销,需要合理设计以提高效率。内核态和用户态切换1进入内核态通过系统调用进入内核控制2执行内核操作内核完成系统调用所需的工作3退出内核态将控制权转回用户态进程操作系统会在用户态进程与内核态之间进行频繁切换。进程通过系统调用进入内核态后，内核会执行所需的操作并返回用户态。这种切换发生在进程需要访问硬件或内核资源的时候，确保了用户进程的安全性和系统的稳定性。系统调用及其实现1系统调用概念系统调用是应用程序与操作系统内核交互的主要方式,用于请求内核提供服务。2系统调用流程程序通过陷入指令触发系统调用,操作系统内核负责处理并返回结果。3系统调用参数传递应用程序将参数压入栈,内核通过寄存器或栈来获取参数。4系统调用实现机制通过注册中断服务程序和陷入指令来实现系统调用的具体实现。系统调用服务例程核心概念系统调用服务例程是操作系统内核中用于处理各种系统调用请求的代码部分。它负责执行用户程序发出的系统调用请求。功能流程当用户程序需要使用操作系统提供的服务时，会通过系统调用陷入内核态。系统调用服务例程接收并分析请求,然后调用相应的内核函数完成操作。实现机制系统调用服务例程通常通过软件中断或异常机制进入内核,并利用内存保护机制隔离用户态和内核态。性能优化系统调用服务例程需要高效处理大量的系统调用请求,因此代码实现上需要注重性能优化。进程间通信概述多进程协作进程间通信可以实现多个进程之间的数据交互和协作,提高系统的整体效率。数据共享通过进程间通信,多个进程可以共享数据和资源,避免重复计算和存储。解耦和异步进程间通信可以实现解耦和异步执行,提高系统的响应速度和可扩展性。关键技术进程间通信的关键技术包括管道、消息队列、共享内存、信号量等。管道通信机制1创建管道操作系统提供管道机制,进程可以通过管道进行数据交换。2读写管道一个进程往管道写入数据,另一个进程从管道读取数据。3管道特点管道是半双工的单向数据传输通道,有先进先出特性。4管道限制管道容量有限,读写进程必须同步协调,不同进程间通信。管道机制是最简单最基础的进程间通信方式之一,它采用半双工单向数据流传输的方式,通过管道缓冲区进行数据交换。管道拥有先进先出的特点,并且容量有限,要求读写进程保持同步。它通常用于简单的父子进程间通信。消息队列通信创建消息队列进程可以创建消息队列，用以存储等待被其他进程接收的消息。发送消息进程向消息队列中添加消息，等待其他进程读取。接收消息进程从消息队列中读取消息，可以选择立即读取或等待新消息。管理消息队列系统提供接口控制消息队列的属性，如最大消息数、消息大小等。信号量通信1原理信号量是一种用于控制多个进程对共享资源访问的机制。通过设置信号量的初始值和对其的加减操作来实现进程同步。2操作信号量提供两种基本操作:P(wait)和V(signal)。P操作减少信号量值,V操作增加信号量值。3应用信号量可用于解决生产者-消费者、哲学家进餐等经典同步问题,实现进程间有序访问共享资源。共享内存通信1内存映射进程将文件或设备映射到内存中2读写共享多进程可同时访问共享内存3信号量同步使用信号量控制进程访问共享内存共享内存通信是一种高效的进程间通信方式。进程通过将文件或设备映射到内存中实现读写共享。为了避免竞争条件,需要使用信号量进行同步控制。这种方式数据传输效率高,但需要额外的同步机制来保证进程安全访问共享内存。远程过程调用1定义远程过程调用是一种跨网络的进程间通信机制。2工作原理客户端将调用请求发送到服务端,服务端执行并返回结果。3优点提供了透明的分布式计算机编程环境。4应用场景分布式系统、服务导向架构、微服务等。远程过程调用是一种跨网络的进程间通信机制。它允许客户端通过网络将调用请求发送到服务端,服务端执行操作并返回结果,从而提供了一种透明的分布式计算机编程环境。这种技术广泛应用于分布式系统、服务导向架构和微服务架构等场景。套接字通信概念基础概念套接字是进程间通信的一种编程接口,它提供了一种标准的方式来访问底层的网络协议。通信流程套接字通信包括建立连接、数据收发、连接关闭等步骤,并提供事件通知机制用于监控通信状态。典型应用套接字广泛应用于客户端-服务器模式的网络程序,如Web浏览器、聊天应用等,实现了跨平台的网络通信。TCP/IP基础知识TCP/IP协议栈TCP/IP协议栈由四个层次组成,分别是应用层、传输层、网络层和链路层。每一层都有特定的功能和协议标准。IP地址IP地址是网络设备在网络上的唯一标识,分为IPv4和IPv6两种格式。IP地址由网络号和主机号两部分组成。TCP连接建立TCP采用三次握手建立可靠的连接。客户端发送SYN报文,服务器回应SYN-ACK报文,客户端最后发送ACK报文完成连接。网络数据报文网络数据通信采用报文的方式传输。报文包括报文头和报文体两部分,报文头中包含各层协议所需要的控制信息。TCP套接字通信1连接建立通过三次握手协议建立TCP连接,确保双方准备好接收和发送数据。2数据传输在连接建立后,双方可以在连接上发送和接收数据。采用可靠的数据传输机制。3连接终止通过四次挥手协议来安全地关闭TCP连接,确保双方都能完成数据传输。UDP套接字通信定义与特点UDP（UserDatagramProtocol）是一种无连接的、不可靠的数据报传输协议,不需要建立连接即可传输数据。数据传输UDP将数据打包成数据报,每个数据报都包含源地址和目的地址信息,独立进行传输。应用场景UDP适用于对实时性要求较高、但可靠性要求较低的场景,如视频会议、在线游戏等。实现方式通过创建UDP套接字,使用sendto()和recvfrom()函数进行数据发送和接收。域名系统DNS域名解析过程DNS系统将人类可读的域名解析为机器可读的IP地址,确保互联网通信顺畅进行。这个过程涉及多个DNS服务器的层层查询。层级DNS服务器域名系统采用分层的DNS服务器架构,包括根域名服务器、顶级域名服务器和DNS解析服务器,协作完成域名解析。缓存与负载均衡DNS服务器会缓存已解析的域名,提高解析效率。当服务器负载过高时,还会采用负载均衡技术分散请求压力。DHCP协议工作原理动态分配IP地址DHCP协议能够自动为网络设备分配IP地址,无需手动配置,提高了网络管理效率。简化网络部署DHCP服务器集中管理IP地址池,无需在每台设备上配置IP地址和其他网络参数。自动获取配置信息设备通过DHCP协议自动获取IP地址、子网掩码、默认网关等必要的网络配置信息。Web工作原理1客户端-服务器架构Web基于客户端-服务器的工作模式,客户端发起请求,服务器响应并返回数据。2HTTP协议通信客户端与服务器之间使用HTTP协议进行请求和响应的数据交互。3资源定位与访问通过URL地址可以定位服务器上的各种资源,并通过HTTP请求获取资源内容。4动态内容生成服务器可以根据用户请求动态生成HTML页面内容,实现交互式的Web应用。网络安全概述网络威胁包括病毒、黑客攻击、数据泄露等危害网络安全的各种威胁。防护措施通过防火墙、加密、权限管理等手段来保护网络系统安全。系统漏洞软硬件中存在的安全隐患,需要及时修补以防止被利用。合规性遵守相关法律法规和行业标准,确保网络安全符合监管要求。网络安全防护措施物理防护加强对关键网络设备的实体物理防护,包括防盗、防破坏、防侵入等措施,确保网络设备的安全。技术防护部署防火墙、入侵检测/预防系统、反病毒软件等,对网络流量进行有效监控和管控,阻止非法访问和攻击。管理防护制定完善的网络安全管理制度和应急预案,定期进行风险评估和安全审核,及时修补漏洞,提高员工的安全意识和防护能力。法律防护建立健全的网络安全法律法规体系,加大对网络犯罪的打击力度,为网络安全提供有力的法律保障。网络协议攻防技术协议漏洞利用黑客利用网络协议中的安全漏洞来发起攻击,如缓冲区溢出、SQL注入等。掌握这些攻击技术可以检测和修补系统漏洞。DDoS攻击分布式拒绝服务攻击