第3讲、操作系统-线程和进程间通信
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线程的实现 在操作系统中，线程的实现方法
进程间通信 不同进程间是如何协调工作的
操作系统-进程与线程
目录
一、线程的基本概念 二、线程的实现 三、进程间通信
目录
一、线程的基本概念 二、线程的实现 三、进程间通信
一、线程的基本概念
2.2 线程
问题：
➢ 用word写一部小说。假设要你编写一个word，要具备以 下功能：
➢ 执行：进程拥有一个执行的线程。 在线程中有一个程序计数器，用 来记录接着要执行的指令。线程 拥有寄存器，用来保存线程当前 的工作变量，线程还拥有一个堆 栈，用来记录执行历史。
Page 10
操作系统-进程与线程
一、线程的基本概念 2.2 线程
线程与进程 ➢ 进程用于把资源集中到一起，是对计算机的抽象 ➢ 线程则是在CPU上被调度执行的实体，是对CPU的抽象
Page 31
操作系统-进程与线程
三、进程间通信
2.3 进程间通信
忙等待的互斥： ➢ 目的：
当一个进程在临界区中更新共享内存时，其他进程将不 会进入其临界区，也不会带来任何麻烦。 ➢ 方法一： 屏蔽中断------ 当一个进程在刚刚进入临界区后立即屏蔽 所有中断。
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操作系统-进程与线程
Page 14
字符输入 键盘
文件定时存贮 硬盘
操作系统-进程与线程
目录
一、线程的基本概念 二、线程的实现 三、进程间通信
操作系统-进程与线程
二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
POSIX线程
➢ 为了实现可移植的线程程序，IEEE标准1003.1c中定义了线程的标准， 称为Pthread线程包。所有Pthread线程都有某些特性。每一个都含 有一个标识符、一组寄存器（包括程序计数器）和一组存储在结构 中的属性。这些属性包括堆栈大小，调度参数以及使用线程需要的 其他项目。
问题分析： ➢ 一个进程如何把信息传递给另一个进程 ➢ 两个进程间在关键活动中不会出现交叉 ➢ 保证正确的顺序
Page 26
操作系统-进程与线程
三、进程间通信
竞争条件：
指环王
下载进程
2.3 进程间通信
播放进程
本地数据缓冲区
➢ 两个或更多个进程读写某些共享数据，最后的结果取决 于进程运行的精确时序，称为竞争条件
百 合 说 ： “我 要开花 ，是因 为我知 道自己 有美丽 的花； 我要开 花，是 为了完 成 作 为 一 株 花的庄 严使命 ；我要 开花， 是由于 自己喜 欢
解放军理工大学通信工程学院
《操 作 系 统》
第二章 进程与线程 --线程与进程间通信
教员：王 孝 国
内容简介 主要研究内容
线程的基本概念 为什么要引入线程？线程与进程的区别
Page 16
操作系统-进程与线程
二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
POSIX线程
线程调用 Pthread_create Pthread_exit Pthread_join Pthread_yield Pthread_attr_init Pthread_attr_destory
描述 创建一个新线程 结束调用的线程 等待一个特定的线程退出 释放CPU来运行另外一个线程 创建并初始化一个线程的属性结构 删除一个线程的属性结构
在 一 个 偏 僻遥 远的山 谷里， 有一个 高达数 千尺的 断崖。 不知道 什么时 候，断 崖 边 上 长 出 了一株 小小的 百合。
百 合 刚 刚 诞生 的时候 ，长得 和杂草 一模一 样。但 是，它 心里知 道自己 并不是 一株野草。
在 它 的 内 心深 处，有 一个纯 洁的念 头：“ 我是一 株百合 ，不是 一株野 草。唯 一 能 证 明 我 是百合 的办法 ，就是 开出美 丽的花 朵。”
Page 21
操作系统-进程与线程
二、线程的使用及实现方式
在内核空间实现：
进程
线程
2.2 线程
用户空间
内核空间
内核
进程表 线程表
Page 22
操作系统-进程与线程
二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
问题的进一步讨论： ➢ 用户线程与内核线程之间关联方式 ➢ 线程的激活机制 ➢ 操作统系基于“线程”的程序调度机制 ➢ 本书讲的很简略，请感兴趣的同学参考“操作系统概念”
Page 12
操作系统-进程与线程
一、线程的基本概念
2.2 线程
线程与进程
➢ 在同一个进程中运行多个线程，即把一个复杂的任务分 解成多个逻辑上独立、可并行执行的指令流，是对在同 一台计算机上并发运行多个进程的模拟。多个线程共享 同一个地址空间和此进程的其他资源。
➢ 多个进程则共享物理内存、磁盘、打印机和其它资源。
2.3 进程间通信
进程A 进程B
A切换至B
A切换至B
==0
=1
ERROR
==0
=1
B切换至A
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操作系统-进程与线程
三、进程间通信
忙等待的互斥： ➢ 方法三：
严格轮转法
while( TRUE ) {
while (turn != 0) {}; critical_region(); turn = 1; noncritical_region(); }
的 不 是 花 苞 ，而是 头脑长 瘤了。 ”
公 开 的 场 合， 它们则 讥讽百 合：“ 你不要 做梦了 ，即使 你真的 会开花 ，在这 荒 郊 野 外 ， 你的价 值还不 是跟我 们一样 。”
偶 尔 有 蜂 蝶鸟 雀飞过 ，它们 也会劝 百合不 用那么 努力开 花：“ 在这断 崖边上 ， 纵 然 开 出 世界上 最美的 花，也 不会有 人来欣 赏呀！ ”
操作系统-进程与线程
三、进程间通信
2.3 进程间通信
互斥： ➢ 以某种手段确保当一个进程在使用一个共享变量或文件
时，其它进程不能做同样的操作。 临界区 ➢ 从共享资源的角度看，一个进程可分为访问共享资源与
不访问共享资源两部分。 ➢ 对共享资源进行访问的程序片段称作临界区。 ➢ 使两个进程不同时处于临界区中，可避免竞争条件。
Page 7
操作系统-进程与线程
一、线程的基本概念
2.2 线程 再看进程 ➢ 进程模型基于两个独立的概念：资源分配处理与执行 ➢ 资源分配：用某种方法把相关的资源集中在一起。进程
有存放程序正文和数据以及其它资源的地址空间。可能 包括打开的文件、子进程、即将发生的报警、信号处理 程序等。 ➢ 执行：创建、切换、撤销。 ➢ 调度分派与资源分配的基本单元
➢ 由于线程具有进程的某些性质，有时被称为“轻量级进 程”。
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操作系统-进程与线程
一、线程的基本概念
2.2 线程
问题回顾：
➢ 任务分解：输入、排版、定时存贮
➢ 注意：需要操作系统的支持，只有当系统调用只阻塞调 用线程而不是阻塞整个进程时，才能正常工作。
第第第
第
一二三
N
页页页
页
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一、线程的基本概念
2.2 线程
分析： ➢ 复杂应用中同时发生着多个活动，其中某些活动随着时
间的推移会被阻塞。通过将复杂应用分解成可准并行运 行的多个顺序执行流，可以使程序变的简单。 ➢ 并行的实体具有共享同一个地址空间和所有可用数据的 能力。 ➢ 各个实体间具有快速切换的能力。 ➢ 在存在大量计算和大量I/O处理的情况下，这些实体彼此 可以重叠进行，以提高整体运行速度。
（第七版及以后版本）中Threads相关的内容。
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操作系统-进程与线程
目录
一、线程的基本概念 二、线程的实现 三、进程间通信
操作系统-进程与线程
三、进程间通信
问题：
指环王
下载进程
2.3 进程间通信
播放进程
本地数据缓冲区
来自百度文库Page 25
操作系统-进程与线程
三、进程间通信
2.3 进程间通信
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操作系统-进程与线程
三、进程间通信
2.3 进程间通信
分析： ➢ 凡涉及共享内存、共享文件以及共享任何资源的情况，
都会出现竞争条件的情况。 ➢ 出现竞争，由于各进程运行精确时序的不确定性，则有
可能产生错误 ➢ 如何避免竞争条件？关键是找出某种途径来阻止多个进
程同时读写共享的数据。
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Page 17
操作系统-进程与线程
二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
主要有两种方法实现线程包： ➢ 在用户空间实现 ➢ 在内核空间实现 问题：什么是用户空间，什么是内核空间？
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操作系统-进程与线程
二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
在用户空间实现： ➢ 把整个线程包放在用户空间中，内核对线程包一无所知，
在用户空间实现：
进程
线程
2.2 线程
用户空间
内核空间
内核
进程表
运行时系统 线程表
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操作系统-进程与线程
二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
在内核空间实现： ➢ 在内核中有用来记录系统中所有线程的线程表。当某个
线程希望创建一个新线程或撤销一个已有线程时，通过 系统调用，完成对线程表的更新及线程的创建或撤销工 作。 ➢ 所有能够阻塞线程的调用都以系统调用的形式实现。
✓可实时的响应用户的输入。 响应键盘输入
✓所见即所得
实时刷新界面显示
✓防文件丢失
定时保存文件
➢ 基于进程的概念，如何设计这个程序？
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操作系统-进程与线程
一、线程的基本概念
问题：
第第第 一二三 页页页
2.2 线程
第 N 页
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操作系统-进程与线程
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操作系统-进程与线程
三、进程间通信
临界区
进程A进入临界区 进程A
2.3 进程间通信
进程A离开临界区
进程B
B试图进入临 界区
B进入临界区
B离开临界区
T1 T2
T3
T4
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操作系统-进程与线程
三、进程间通信
2.3 进程间通信
临界区操作准则： ➢ 任何两个进程不能同时处于其临界区 ➢ 不应对CPU的速度和数量做任何假设 ➢ 临界区外运行的进程不得阻塞其它进程 ➢ 不得使进程无限期等待进入临界区
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操作系统-进程与线程
一、线程的基本概念 2.2 线程
线程 ➢ 轻型实体 ➢ 独立调度分派的单元。 ➢ 可并发执行。 ➢ 共享进程资源 ➢ 减少程序并发执行时所付出的时空开销
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操作系统-进程与线程
一、线程的基本概念
2.2 线程
再看进程
➢ 进程模型基于两个独立的概念： 资源分配处理与执行
三、进程间通信
2.3 进程间通信
忙等待的互斥： ➢ 方法二：
锁变量------ 设想有一个共享（锁）变量，其初值为0，当 一个进程想进入临界区时，它先测试这把锁，如果该锁 的值为0，则该进程将其置为1并进入，如果为1，则等其 为0。
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操作系统-进程与线程
三、进程间通信
忙等待的互斥： ➢ 锁变量存在的问题：
有 了 这 个 念头 ，百合 努力地 吸收水 分和阳 光，深 深的扎 根，直 直地挺 着胸膛 。
终 于 在 一 个春 天的早 晨，百 合的顶 部结出 了第一 个花苞 。
百 合 的 心 里很 高兴， 附近的 杂草却 很不屑 ，它们 在私下 嘲笑着 百合： “这家 伙 明 明 是 一 株草， 偏偏说 自己是 一株花 ，还真 以为自 己是一 株花。 我看它 顶上结
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操作系统-进程与线程
一、线程的基本概念
2.2 线程
A thread is a basic unit of CPU utilization; it comprises a thread ID, a program counter, a register set, and a stack. It shares with other threads belonging to the same process its code section, data section, and other operating-system resources, such as open files and signals. A traditional( or heavyweight) process has a single thread of control. If a process has multiple threads of control, it can perform more than one task at a time.
即内核不知道线程的存在。 ➢ 从内核角度考虑，内核对进程的管理，是按单线程进程
的方式进行管理的。 ➢ 优点：（1）用户级线程包可以在不支持线程的操作系统
上实现。（2）允许每个进程有自己定制的调度算法。 ➢ 主要问题：（1）如何实现阻塞调用。（2）线程的调度。
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操作系统-进程与线程
二、线程的使用及实现方式
进程间通信 不同进程间是如何协调工作的
操作系统-进程与线程
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一、线程的基本概念 二、线程的实现 三、进程间通信
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一、线程的基本概念 二、线程的实现 三、进程间通信
一、线程的基本概念
2.2 线程
问题：
➢ 用word写一部小说。假设要你编写一个word，要具备以 下功能：
➢ 执行：进程拥有一个执行的线程。 在线程中有一个程序计数器，用 来记录接着要执行的指令。线程 拥有寄存器，用来保存线程当前 的工作变量，线程还拥有一个堆 栈，用来记录执行历史。
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一、线程的基本概念 2.2 线程
线程与进程 ➢ 进程用于把资源集中到一起，是对计算机的抽象 ➢ 线程则是在CPU上被调度执行的实体，是对CPU的抽象
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三、进程间通信
2.3 进程间通信
忙等待的互斥： ➢ 目的：
当一个进程在临界区中更新共享内存时，其他进程将不 会进入其临界区，也不会带来任何麻烦。 ➢ 方法一： 屏蔽中断------ 当一个进程在刚刚进入临界区后立即屏蔽 所有中断。
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一、线程的基本概念 二、线程的实现 三、进程间通信
操作系统-进程与线程
二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
POSIX线程
➢ 为了实现可移植的线程程序，IEEE标准1003.1c中定义了线程的标准， 称为Pthread线程包。所有Pthread线程都有某些特性。每一个都含 有一个标识符、一组寄存器（包括程序计数器）和一组存储在结构 中的属性。这些属性包括堆栈大小，调度参数以及使用线程需要的 其他项目。
问题分析： ➢ 一个进程如何把信息传递给另一个进程 ➢ 两个进程间在关键活动中不会出现交叉 ➢ 保证正确的顺序
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三、进程间通信
竞争条件：
指环王
下载进程
2.3 进程间通信
播放进程
本地数据缓冲区
➢ 两个或更多个进程读写某些共享数据，最后的结果取决 于进程运行的精确时序，称为竞争条件
百 合 说 ： “我 要开花 ，是因 为我知 道自己 有美丽 的花； 我要开 花，是 为了完 成 作 为 一 株 花的庄 严使命 ；我要 开花， 是由于 自己喜 欢
解放军理工大学通信工程学院
《操 作 系 统》
第二章 进程与线程 --线程与进程间通信
教员：王 孝 国
内容简介 主要研究内容
线程的基本概念 为什么要引入线程？线程与进程的区别
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二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
POSIX线程
线程调用 Pthread_create Pthread_exit Pthread_join Pthread_yield Pthread_attr_init Pthread_attr_destory
描述 创建一个新线程 结束调用的线程 等待一个特定的线程退出 释放CPU来运行另外一个线程 创建并初始化一个线程的属性结构 删除一个线程的属性结构
在 一 个 偏 僻遥 远的山 谷里， 有一个 高达数 千尺的 断崖。 不知道 什么时 候，断 崖 边 上 长 出 了一株 小小的 百合。
百 合 刚 刚 诞生 的时候 ，长得 和杂草 一模一 样。但 是，它 心里知 道自己 并不是 一株野草。
在 它 的 内 心深 处，有 一个纯 洁的念 头：“ 我是一 株百合 ，不是 一株野 草。唯 一 能 证 明 我 是百合 的办法 ，就是 开出美 丽的花 朵。”
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二、线程的使用及实现方式
在内核空间实现：
进程
线程
2.2 线程
用户空间
内核空间
内核
进程表 线程表
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二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
问题的进一步讨论： ➢ 用户线程与内核线程之间关联方式 ➢ 线程的激活机制 ➢ 操作统系基于“线程”的程序调度机制 ➢ 本书讲的很简略，请感兴趣的同学参考“操作系统概念”
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操作系统-进程与线程
一、线程的基本概念
2.2 线程
线程与进程
➢ 在同一个进程中运行多个线程，即把一个复杂的任务分 解成多个逻辑上独立、可并行执行的指令流，是对在同 一台计算机上并发运行多个进程的模拟。多个线程共享 同一个地址空间和此进程的其他资源。
➢ 多个进程则共享物理内存、磁盘、打印机和其它资源。
2.3 进程间通信
进程A 进程B
A切换至B
A切换至B
==0
=1
ERROR
==0
=1
B切换至A
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三、进程间通信
忙等待的互斥： ➢ 方法三：
严格轮转法
while( TRUE ) {
while (turn != 0) {}; critical_region(); turn = 1; noncritical_region(); }
的 不 是 花 苞 ，而是 头脑长 瘤了。 ”
公 开 的 场 合， 它们则 讥讽百 合：“ 你不要 做梦了 ，即使 你真的 会开花 ，在这 荒 郊 野 外 ， 你的价 值还不 是跟我 们一样 。”
偶 尔 有 蜂 蝶鸟 雀飞过 ，它们 也会劝 百合不 用那么 努力开 花：“ 在这断 崖边上 ， 纵 然 开 出 世界上 最美的 花，也 不会有 人来欣 赏呀！ ”
操作系统-进程与线程
三、进程间通信
2.3 进程间通信
互斥： ➢ 以某种手段确保当一个进程在使用一个共享变量或文件
时，其它进程不能做同样的操作。 临界区 ➢ 从共享资源的角度看，一个进程可分为访问共享资源与
不访问共享资源两部分。 ➢ 对共享资源进行访问的程序片段称作临界区。 ➢ 使两个进程不同时处于临界区中，可避免竞争条件。
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一、线程的基本概念
2.2 线程 再看进程 ➢ 进程模型基于两个独立的概念：资源分配处理与执行 ➢ 资源分配：用某种方法把相关的资源集中在一起。进程
有存放程序正文和数据以及其它资源的地址空间。可能 包括打开的文件、子进程、即将发生的报警、信号处理 程序等。 ➢ 执行：创建、切换、撤销。 ➢ 调度分派与资源分配的基本单元
➢ 由于线程具有进程的某些性质，有时被称为“轻量级进 程”。
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问题回顾：
➢ 任务分解：输入、排版、定时存贮
➢ 注意：需要操作系统的支持，只有当系统调用只阻塞调 用线程而不是阻塞整个进程时，才能正常工作。
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一、线程的基本概念
2.2 线程
分析： ➢ 复杂应用中同时发生着多个活动，其中某些活动随着时
间的推移会被阻塞。通过将复杂应用分解成可准并行运 行的多个顺序执行流，可以使程序变的简单。 ➢ 并行的实体具有共享同一个地址空间和所有可用数据的 能力。 ➢ 各个实体间具有快速切换的能力。 ➢ 在存在大量计算和大量I/O处理的情况下，这些实体彼此 可以重叠进行，以提高整体运行速度。
（第七版及以后版本）中Threads相关的内容。
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三、进程间通信
问题：
指环王
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2.3 进程间通信
分析： ➢ 凡涉及共享内存、共享文件以及共享任何资源的情况，
都会出现竞争条件的情况。 ➢ 出现竞争，由于各进程运行精确时序的不确定性，则有
可能产生错误 ➢ 如何避免竞争条件？关键是找出某种途径来阻止多个进
程同时读写共享的数据。
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2.2 线程
主要有两种方法实现线程包： ➢ 在用户空间实现 ➢ 在内核空间实现 问题：什么是用户空间，什么是内核空间？
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二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
在用户空间实现： ➢ 把整个线程包放在用户空间中，内核对线程包一无所知，
在用户空间实现：
进程
线程
2.2 线程
用户空间
内核空间
内核
进程表
运行时系统 线程表
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二、线程的使用及实现方式
2.2 线程
在内核空间实现： ➢ 在内核中有用来记录系统中所有线程的线程表。当某个
线程希望创建一个新线程或撤销一个已有线程时，通过 系统调用，完成对线程表的更新及线程的创建或撤销工 作。 ➢ 所有能够阻塞线程的调用都以系统调用的形式实现。
✓可实时的响应用户的输入。 响应键盘输入
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➢ 基于进程的概念，如何设计这个程序？
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问题：
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三、进程间通信
临界区
进程A进入临界区 进程A
2.3 进程间通信
进程A离开临界区
进程B
B试图进入临 界区
B进入临界区
B离开临界区
T1 T2
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三、进程间通信
2.3 进程间通信
临界区操作准则： ➢ 任何两个进程不能同时处于其临界区 ➢ 不应对CPU的速度和数量做任何假设 ➢ 临界区外运行的进程不得阻塞其它进程 ➢ 不得使进程无限期等待进入临界区
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线程 ➢ 轻型实体 ➢ 独立调度分派的单元。 ➢ 可并发执行。 ➢ 共享进程资源 ➢ 减少程序并发执行时所付出的时空开销
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再看进程
➢ 进程模型基于两个独立的概念： 资源分配处理与执行
三、进程间通信
2.3 进程间通信
忙等待的互斥： ➢ 方法二：
锁变量------ 设想有一个共享（锁）变量，其初值为0，当 一个进程想进入临界区时，它先测试这把锁，如果该锁 的值为0，则该进程将其置为1并进入，如果为1，则等其 为0。
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三、进程间通信
忙等待的互斥： ➢ 锁变量存在的问题：
有 了 这 个 念头 ，百合 努力地 吸收水 分和阳 光，深 深的扎 根，直 直地挺 着胸膛 。
终 于 在 一 个春 天的早 晨，百 合的顶 部结出 了第一 个花苞 。
百 合 的 心 里很 高兴， 附近的 杂草却 很不屑 ，它们 在私下 嘲笑着 百合： “这家 伙 明 明 是 一 株草， 偏偏说 自己是 一株花 ，还真 以为自 己是一 株花。 我看它 顶上结
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一、线程的基本概念
2.2 线程
A thread is a basic unit of CPU utilization; it comprises a thread ID, a program counter, a register set, and a stack. It shares with other threads belonging to the same process its code section, data section, and other operating-system resources, such as open files and signals. A traditional( or heavyweight) process has a single thread of control. If a process has multiple threads of control, it can perform more than one task at a time.
即内核不知道线程的存在。 ➢ 从内核角度考虑，内核对进程的管理，是按单线程进程
的方式进行管理的。 ➢ 优点：（1）用户级线程包可以在不支持线程的操作系统
上实现。（2）允许每个进程有自己定制的调度算法。 ➢ 主要问题：（1）如何实现阻塞调用。（2）线程的调度。
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