计算机基础知识—进程通信线程同步专题

2018-11-06

进程通信方法：

套接字socket

a、使用socket通信的方式实现起来简单，可以使用因特网域和UNIX域来实现，使用因特网域可以实现不同主机之间的进出通信。
b、该方式自身携带同步机制，不需要额外的方式来辅助实现同步。
c、随进程持续。

共享内存

a、最快的一种通信方式，多个进程可同时访问同一片内存空间，相对其他方式来说具有更少的数据拷贝，效率较高。
b、需要结合信号灯或其他方式来实现多个进程间同步，自身不具备同步机制。
c、随内核持续，相比于随进程持续生命力更强。

管道

a、较早的一种通信方式，缺点明显：只能用于有亲缘关系进程之间的通信；只支持单向数据流，如果要双向通信需要多创建一个管道来实现。
b、自身具备同步机制。
c、随进程持续。

命名管道(FIFO)

a、是有名管道，所以支持没有亲缘关系的进程通信。和共享内存类似，提供一个路径名字将各个无亲缘关系的进程关联起来。但是也需要创建两个描述符来实现双向通信。
b、自身具备同步机制。
c、随进程持续。

信号

a、这种通信可携带的信息极少。不适合需要经常携带数据的通信。
b、不具备同步机制，类似于中断，什么时候产生信号，进程是不知道的。

消息队列

a、与共享内存和FIFO类似，使用一个路径名来实现各个无亲缘关系进程之间的通信。消息队列相比于其他方式有很多优点：它提供有格式的字节流，减少了开发人员的工作量；消息具有类型（system V）或优先级（posix）。其他方式都没有这些优点。
b、具备同步机制。
c、随内核持续。

线程通信同步机制

1、锁机制

互斥锁：提供了以排它方式阻止数据结构被并发修改的方法。互斥锁的作用就是互斥，mutual exclusive，是用来保护临界区(critical section)的。所谓临界区就是代码的一个区间，如果两个线程同时执行就有可能出问题，所以需要互斥锁来保护。

自旋锁是一种互斥锁的实现方式而已，相比一般的互斥锁会在等待期间放弃cpu，自旋锁（spinlock）则是不断循环并测试锁的状态，这样就一直占着cpu。

读写锁：允许多个线程同时读共享数据，而对写操作互斥。

条件变量：可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。

2、信号量机制：包括无名线程信号量与有名线程信号量

信号量（semaphore）是一种更高级的同步机制，mutex可以说是semaphore在仅取值0/1时的特例。Semaphore可以有更多的取值空间，用来实现更加复杂的同步，而不单单是线程间互斥。

3、信号机制：类似于进程间的信号处理。

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协程

协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。
协程的概念很早就提出来了，但直到最近几年才在某些语言（如Lua）中得到广泛应用。

子程序，或者称为函数，在所有语言中都是层级调用，比如A调用B，B在执行过程中又调用了C，C执行完毕返回，B执行完毕返回，最后是A执行完毕。

所以子程序调用是通过栈实现的，一个线程就是执行一个子程序。子程序调用总是一个入口，一次返回，调用顺序是明确的。而协程的调用和子程序不同。

协程看上去也是子程序，但执行过程中，在子程序内部可中断，然后转而执行别的子程序，在适当的时候再返回来接着执行。注意，在一个子程序中中断，去执行其他子程序，不是函数调用，有点类似CPU的中断。

比如子程序A、B：
def A():
    print '1'
    print '2'
    print '3'

def B():
    print 'x'
    print 'y'
    print 'z'

假设由协程执行，在执行A的过程中，可以随时中断，去执行B，B也可能在执行过程中中断再去执行A，
结果可能是：

1
2
x
y
3
z

但是在A中是没有调用B的，所以协程的调用比函数调用理解起来要难一些。
看起来A、B的执行有点像多线程，但协程的特点在于是一个线程执行，那和多线程比，协程有何优势？
最大的优势就是协程极高的执行效率。因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销，和多线程比，线程数量越多，协程的性能优势就越明显。

第二大优势就是不需要多线程的锁机制，因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不加锁，只需要判断状态就好了，所以执行效率比多线程高很多。
因为协程是一个线程执行，那怎么利用多核CPU呢？最简单的方法是多进程+协程，既充分利用多核，又充分发挥协程的高效率，可获得极高的性能。