操作系统 2.3进程同步

2.3 进程的同步与互斥

2.3.1 进程的同步的基本概念

1.临界资源

定义：一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源

eg：就好像早上起来在宿舍和同学抢厕所时，把我和同学比做两个进程，两者就是同步的协作关系，而厕所就是临界资源

访问临界资源的过程可分为4个部分：

（1）进入区：检查是否可以进入临界区，如果可以进入，设置正在访问临界区的标志，又可以防止其他进程进入临界区

（2）临界区：进程中访问临界资源的那段代码

（3）退出区：将正在访问临界区的标志清除

（4）剩余区

2.同步（直接相互制约关系）

比如说AB进程，A产生数据，B计算结果，AB公用一个缓存区。缓存区为空时，B不能运行，等待A向缓存区传递数据后B才能运行，缓存区满时，A不能运行，等待B取走数据后，A才能运行。此时AB为直接制约关系。

3.互斥（间接相互制约关系）

比如AB进程都需要使用打印机，如果进程A需要打印时, 系统已将打印机分配给进程B,则进程A必须阻塞。一旦进程B将打印机释放，系统便将进程A唤醒，并将其由阻塞状态变为就绪状态

互斥是针对不同进程对同一个临界资源来说的，

而同步是系统为了达到某个目的，有多个进程，进程和进程之间有先后顺序的这种制约关系

同步机制需要遵守的4个原则：

1）空闲让进：当无进程处于临界区时，表明临界资源处于空闲状态，应允许一个请求进入临界区的进程立即进入自己的临界区，以有效利用临界资源。

2）忙则等待：当已有进程进入临界区时，表明临界资源正在被访问，因而其他试图进入临界区的进程都必须等待，以保证对临界资源的互斥访问。

3）有限等待：对要求访问的临界资源的进程，应保证在有限时间内能进入自己的临界区，以免陷入“死等”状态。

4）让权等待：当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机，以免陷入"忙等"状态

2.3.2 实现临界区互斥的几种方法

1. 软件实现法

算法1：单标志法

算法思想：起始turn=0，相当于厕所是0号专属，其他人不得进入，所以当系统切换到1进程时，1号进程不得进入，所以违背了“空闲让进”的原则

算法2：双标志先检查法

思想：该算法的基本思想是在每一个进程访问临界区资源之前，先查看一下临界资源是否正在被访问，若被访问，该进程需等待;否则，进程才进入自己的临界区。为此，设置了一个数据flag[i],如果第i个进程值为FLASE，则表示Pi进程未进临界区，值为TRUE，表示Pi进程进入临界区。

评价：如果访问顺序是15开头（例如15263748），则后面0号和1号可以同时进入临界区，违背了临界区忙则等待的原则，

就好像先进厕所的那个人就直接反锁厕所门，而违背忙则等待原则的意思就是厕所门还没上锁的时候，另一个人就冲进了厕所，两个人，一个坑，可能会面面相觑。。。

算法3：双标志后检查法

思想：先将flag[0]置为true（上锁），再进行检查，如果flag[1]为false（即p1进程没有上锁），则检查完毕，进入临界区，p1也是同理

先上锁，后检查，如果按照1526。。。的顺序来进行的话，就无法满足空闲让进和有限等待的原则，从而导致饥饿现象

虽然解决了算法2忙则等待的问题，但是，产生了更多更复杂的问题

算法4：peterson算法

思想：相当于a，b两人抢厕所，
a：我想用马桶
b：我想用马桶
a：你先用把
b：你先用吧
a：那好吧，我先用咯
最后是b说的客气话，所以a先用

算法评价：
优点：遵从了空闲让进，忙则等待，有限等待的原则
缺点：没有遵从让权等待的原则

2. 硬件实现方法

1）中断屏蔽方法：

关中断，临界区，开中断。
优点：简单高效
缺点：只适用于内核进程（因为关中断只能在内核态运行）

2）TestAndSet指令

//布尔型共享变量lock表示当前临界区是否被加锁
//true表示已加锁，false表示未加锁
bool TestAndSet(bool *lock){
    
    
	bool old;
	old=*lock;     //用old来存放lock原来的值
	*lock=true;	   //无论之前有无加锁，现在设为加锁
	return old;    //返回lock原来的值

//下面是使用tsl指令实现互斥的算法逻辑
while(TestAndSet(&lock));
临界区代码。。。
lock=false;        //解锁
剩余区代码段。。。

2）Swap指令

Swap是用硬件实现的，执行过程中不允许被中断

Swap(bool *a,bool *b){
    
    
	bool temp;
	temp=*a;
	*a=*b;
	*b=temp;
//以下使用Swap实现互斥的算法逻辑
//lock表示当前临界区是否加锁
bool old=true;
while(old==true){
    
    
	Swap(&lock,&old);
临界代码区。。。
lock=false;    //解锁
剩余区域代码。。。

2.3.3 信号量

引入信号量的原因：双标志先检查法的检查和上锁不能一气呵成，先检查后上锁中，会导致在检查和上锁的间隙发生进程切换，从而使得多个进程占用临界资源的情况发生，所以，引入信号量就是为了使检查和上锁可以一气呵成。

信号量可以理解成一种类型的变量（类似于int，double等等）但是区别在于信号量不能进行加减乘除，只能进行初始化，P操作（wait）和V（signal）操作

1.整型信号量

void wait(int S){
    
    		//wait原语相当于“进入区”
	while(S<=0);        //如果资源数不够，就一直循环等待
	S=S-1;				//如果资源数够，就占用一个资源
}
void signal(int S){
    
    		//signal原语相当于是“退出区”
	S+=1;				//使用完资源后，在退出区释放资源
}

进程p0：
...
wait(S);				//进入区，申请资源
使用打印机资源...		//临界区，访问资源
signal(S);				//退出区，释放资源
...

2.记录型信号量（重点）

//定义记录型信号量
typedef struct{
    
    
	int value;
	struct process *L;
} semaphore;
//某些进程需要申请资源时，用wait原语申请
void wait(semaphore S){
    
    
	S.vslue--;
	if(S.value<0){
    
    
		block(S.L);//若资源数不够，使用block原语使进程从运行态变成阻塞态
				   //挂到阻塞队列L中
	}
}
void signal(semaphore S){
    
    
	S.vslue++;
	if(S.value <= 0){
    
    //S.value==0时，说明S.value本身为-1，所以说明原来有进程在等待资源分配
		wakeup(S.L);//若资源数不够，使用wakeup原语使进程从阻塞态变为运行态
	}
}
//尤其注意block和wakeup原语的使用

3.利用信号量实现进程同步

1. 先确定同步关系，必须保证一前一后的两种操作
2. 设置同步信号量S=0；
3. 在前操作之后进行V(S)操作
4. 在后操作之前进行P(S)操作

其中，前操作为P1操作，后操作为P2操作

4.利用信号量实现进程互斥

1. 先确定临界区
2. 设置互斥信号量mutex=1；
3. 在临界区之前进行P(mutex)操作
4. 在临界区之后进行V(mutex)操作

5.利用信号量实现进程的前驱关系

操作方法与3.利用信号量实现进程同步类似

2.3.4管程