2.3 进程同步
进程间有什么相互影响？
两种制约关系：
间接相互制约关系：主要源于资源共享,表现为
进程A---打印机资源---进程B（互斥）
直接相互制约关系：主要源于进程合作，表现为
进程A写缓冲---进程B读缓冲（有序）
1.进程同步的基本概念
1）进程同步的主要任务：使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。
2）临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源2
理解同步
互斥：在操作系统中，当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，直到占用临界资源的进程退出临界区，我们称进程之间的这种相互制约关系为“互斥”
同步：多个相互合作的进程，在一些关键点上可能需要互相等待或互相交换信息，这种相互制约关系称为进程同步关系。可理解为“有序”
3）临界区
每个进程中访问临界资源的那段代码叫临界区
为了正确同步，对临界区的代码要增加控制
进入区：对欲访问的临界资源进行检，若此刻未被访问，设正在访问的标志
临界区：访问临界资源的代码
退出区：将正在访问的标志恢复为未被访问的标志
剩余区：其余部分
“进入”和“退出”临界区的处理对实现互斥尤其重要
4）同步机制应遵循的规则
实现互斥的方法应符合如下每条原则
空闲让进：资源使用最基本原则
忙则等待：保证互斥
有限等待：合适时被唤醒防止死等
让权等待：能主动释放CPU防止忙等
硬件同步机制
许多计算机提供一些特殊的硬件指令，允许对一个字中的内容进行检测和修正，或对两个字的内容进行交换。利用这些特殊指令解决临界区问题。
进入临界区往往跟其标志有关，可将标志看作一个锁，“锁开”进入并关锁，“锁关”必须等待，初始时锁是打开的。
硬件指令机械操作可保证锁开、关操作不被打断；适用于任意数目的进程。但等待要耗费CPU时间，不能实现“让权等待”，从等待进程中随机选择一个进入临界区，有的进程可能一直选不上，难以实现较为复杂的进程同步问题。
2.信号量机制
最初的信号量机制，两个原子操作对一个共享整型量进行操作。
信号量定义为一个整型量；
根据初始情况赋相应的值；
仅能通过两个原子操作来访问。
P操作 wait(S):
While S<=0 do no-op;
S:=S-1;
V操作 signal(S):
S:=S+1;
2）记录型信号量
整型信号量符合“有限等待”原则
signal释放资源后，当CPU被分配给等待进程后，等待进程仍可继续执行，可以符合“有限等待”
但整型信号量不符合“让权等待”原则
整型信号量的wait操作，当s ≤0时，当前进程会占着CPU不断测试
信号量原语不能被打断，这个占有CPU的进程会一直不断的占据CPU循环下去，陷入忙等
改进：条件不符时应能够主动放弃CPU
新问题：放弃CPU的进程进入阻塞队列：因等待某信号量而放弃CPU的等待进程会有“若干”个，需将它们组织管理起来，并在合适的时候唤醒
信号量结构信息发生变化
不仅要有值的处理，还有队列的处理
此时形成记录型数据结构，包括两部分：
整型变量value(代表资源数目) 进程链表L(链接所有等待进程)
代码描述：
type Semaphore=record
value：integer;
L：list of PCB;
end;
操作：S.Value，S.L
Value>0，表示当前可用资源的数量
Value≤0，其绝对值表示等待使用该资源的进程数，即在该信号量队列上排队的PCB的个数
不仅修改资源数，还要处理进程的阻塞、唤醒等操作。先修改资源数，再判断处理。
定义信号量semaphore代表可用资源实体的数量。又叫信号灯。当≥0，代表可供并发进程使用的资源实体数当<0，表示正在等待使用该资源的进程数。建立一个信号量必须经过说明，包括信号量所代表的意义 赋初值 建立相应的数据结构，以便指向等待使用临界区的进程。除初值外，信号量的值仅能由标准原子操作P、V操作来改变。PV操作是荷兰语通过和释放的意思。
3）信号量的基本应用
实现进程互斥
实现进程间的前趋关系（有序）
互斥信号量注意点：
互斥信号量mutex初值为1；
每个进程中将临界区代码置于P(mutex)和V(mutex)原语之间
必须成对使用P和V原语（在同一进程中），不能次序错误、重复或遗漏
遗漏P原语则不能保证互斥访问
遗漏V原语则不能在使用临界资源之后将其释放（给其他等待的进程）
控制同步顺序的注意点
信号量值为0的点是限制的关键所在
成对使用P和V原语（在有先后关系的两个进程中），不能次序错误、重复或遗漏，否则同步顺序出错
4）AND型信号量
出现原因：
一些应用往往需要两个或多个共享资源，而不是前述的一个资源，进程同时要求的共享资源越多，发生死锁可能性越大
解决思想：
一次性分配给进程所需资源，用完一起释放，Wait操作时对它所有需要的资源都要判断，有AND条件，故称“AND同步”、“同时wait”
5）信号量集
引入原因：每次只能获得或释放一个单位的资源，低效；
某些时候资源分配有下限的限制；
修改：在大于可分配设置的下界值t前提下，每次可分配d个