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。
*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
（4）同步机制应遵循的规则
1）空闲让进：资源使用最基本原则
2）忙则等待：保证互斥
3）有限等待：合适时被唤醒防止死等
4）让权等待：能主动释放CPU防止忙等
（5）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，可将标志看做一个锁，“锁开”进入并关锁，“锁关”必须等待，初始时锁是打开的。
①关中断
进入锁测试前关闭中断，直到完成锁测试并上锁后才能打开中断。进程在临界区执行期间，系统不响应中断，从而不引发调度。
缺点：
滥用风险
关中断时间过长会影响效率，限制CPU交叉执行能力
不适用于多CPU系统
②Test-and-Set指令
boolean TS(boolean *lock)
{
Boolean old;
old=*lock;
*lock=TRUE;
return old;
}
为一个临界资源设置一布尔变量lock，初值为false
do{
…
while TS(&lock) ;
critical section;
lock=FALSE;
remainder section;
}while(TRUE);
③利用Swap指令实现进程互斥
对换指令（intel 80x86中称XCHG指令），用于交换两个字节的内容
void swap(boolean *a, boolean *b)
{boolean temp;
temp=*a;
*a=*b;
*b=temp;
}
为临界资源设置一个全局布尔变量lock=false。每个进程一个局部布尔变量key。
do{
key=TRUE;
do{
swap(&lock,&key);
}while(key!=FALSE);
// 临界区操作；
lock=FALSE;
//剩余区；
}while(TRUE);
2. 信号量机制
（1） 整型信号量
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。
#P、V操作也有所变化
P操作
wait():
S.value = S.value - 1;
if S.value < 0 then block(S,L)
V操作
signal()：
S.value = S.value + 1;
if S.value <= 0 then wakeup(S,L)
• 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
1）实现进程互斥
设置一互斥信号量mutex，初值为1。
进程i：
P（mutex）；
critical section //操作共享资源R
V（mutex）
remainder section
互斥信号量注意点：
1. 互斥信号量mutex初值为1；
2. 每个进程中将临界区代码置于P(mutex)和V(mutex)原语之间
3. 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）；
2） 实现进程间的前驱关系（有序）
前趋关系:并发执行的进程P1和P2中，分别有代码C1和C2，要求C1要在C2开始前完成；
为每对前趋关系设置一个同步信号量S12，并赋初值为0。则只有V操作所在进程获得cpu时能运行
P1 ： C1 ；signal(S)；
P2 ： wait(S)；C2 ；
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”。
Swait(S1, S2, …, Sn)
if （S1 >=1 and … and Sn>=1 ）then
for i:=1 to n do
Si:= Si -1 ;
endfor
else
将进程阻塞在第一个不能满足资源信号量的队列中
endif
Ssignal(S1, S2, …, Sn)
for i:=1 to n do
Si:= Si +1 ;
// 唤醒所以与si相关的阻塞进程
endfor
（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。
Swait(S1, t1, d1, …, Sn, tn, dn)
if S1>= t1 and … and Sn>= tn then
for i:=1 to n do
Si:= Si - di ;
endfor
else
…
endif
Ssignal(S1, d1, …, Sn, dn)
for i:=1 to n do
Si:= Si +di ;
….
endfor
信号量集的一个特例
只有一个信号量S的几种特殊情况：
①Swait(S, d, d)，，允许每次申请d个资源，若现有资源数少于d，不予分配。
②Swait(S, 1, 1)，蜕化为一般的记录型信号量，一次申请一个，至多分配一个(S>1时可计数，或S=1时可控制互斥)。
③Swait(S, 1, 0)，当S>=1时，允许多个进程进入某特定区，当S变为0后，阻止任何进程进入特定区，相当于可控开关。并不对S资源的数量产生影响。