同步互斥的实现

一、临界区

1.定义：临界区指的是一个访问共用资源（例如：共用设备或是共用存储器）的程序片段，而这些共用资源又无法同时被多个线程访问的特性。当有线程进入临界区段时，其他线程或是进程必须等待，有一些同步的机制必须在临界区段的进入点与离开点实现，以确保这些共用资源是被互斥获得使用。

2.临界区中存在的属性：

• 互斥：同一时间临界区中最多存在一个线程；
• Progress：如果一个线程想要进入临界区，那么它最终会成功（如果无限等待，处于饥饿状态，不妥）；
• 有限等待：如果一个线程i处于入口区，那么在i的请求被接受之前，其他线程进入临界区的时间是有限制的；
• 无忙等待（可选）：如果一个进程在等待进入临界区，那么它可以进入之前会被挂起。

二、原子操作

1. 原子操作是指一次不存在任何中断或失败的操作

• 要么操作成功完成
• 或者操作没有执行
• 不会出现部分执行的状态

2. 操作系统需要利用同步机制在并发执行的同时，保证一些操作是原子操作。

三、管理临界区的方法

1. 禁用硬件中断

采用引荐中断需要考虑时钟中断：时钟中断是控制进程调度的手段之一

• 没有中断，没有上下文切换，因此没有并发。硬件将中断处理延迟到中断被启用之后；大多数现代计算机体系结构都提供指令来完成。
• 进入临界区，则禁用中断。
• 离开临界区，则开启中断。

但是，存在如下问题：

• 一旦中断被禁用，线程就无法被停止；整个系统都会为你停下；可能导致其他线程处于饥饿状态。
• 如临界区可以任意长，则无法限制响应中断所需的时间

 

2. 基于软件的解决方法

例子：假设有两个线程，T0和T1。Ti的通常结构为：

do{
     enter section            //进入区域
     critical section          //临界区
     exit section              //离开区域
     reminder section      //提醒区域
}while(1);

线程可能共享一些共有的变量来同步他们的行为。下面设计一种方法，能在有限时间内实现退出/进入页区。

算法前置知识与考虑

• 共享变量，先初始化
• int turn = 0 ;
• turn == i    //表示Ti进入临界区
• 对于Thread Ti ，代码表示如下：

do{
      while(turn != i );    //如果turn不是i，死循环；直到turn是i，跳出循环
      critical section        //执行临界区代码
      turn = j；              //turn赋为j，退出循环
      reminder section
}while(1);

上述代码满足互斥，即不可能两个线程同时进入临界区。但不满足process，比如T1执行完进入临界区代码后，不再进入临界区程序，转去执行其他任务。而T2执行完临界区代码后，想再次进入临界区，而发现自己在退出临界区时，
把turn赋值为了1，因此再执行进入临界区代码时，由于turn=1而不是2，会执行死循环而不能进入临界区。此方法的特点就是必须T1和T2交替执行来改变turn值，才能满足process。

因此再考虑其他方法：

对于有线程0、线程1的情况：

• int flag[2]; flag[0] = flag[1] = 0
• flag[i] = 1    //如果等于1，则线程Ti进入临界区
• 对于Thread Ti，代码如下：

do{
      while (flag[j] == 1);    //如果另一个进程想进来，此进程先谦让一下，自己先循环着
      flag[i] = 1;    //如果别的进程未准备，则自己赋成1，表示自己要进入临界区
      critical section
      flag[i] = 0;
      reminder section
}while(1);

该方法没有实现互斥，如T1执行完前两条代码后，上下文切换到T2,T2执行完前两条代码后 flag[1] == flag[2] ==0 ，所以两个线程都能进入临界区，不满足互斥。

考虑将flag[i] = 1前置，代码如下

do{
       flag[i] = 1; 
       while (flag[j] == 1);  
       critical section
       flag[i] = 0;
       reminder section
}while(1);

此方法满足互斥，但可能出现死锁，

如T1执行完前两条代码后，上下文切换到T2,T2执行完前两条代码后 flag[1] == flag[2] ==1，两个进程都会进入死循环，所以两个线程都不能进入临界区。

 

2.1 正确的解决办法（Peterson算法）

满足进程Pi和Pj之间互斥的经典的基于软件的解决方法（1981年），Use two shared data items（用上了turn和flag）。

int turn; // 指示该谁进入临界区
boolean flag[]; // 指示进程是否准备好进入临界区

Code for ENTER_CRITICAL_SECTION

flag[i] = TRUE;
turn = j;
while(flag[j] && turn == j);

Code for EXIT_CRITICAL_SECTION

flag[i] = FALSE;

对于进程Pi的算法：

do {
    flag[i] = TRUE;
    turn = j;
    while (flag[j] && turn == j);
    CRITICAL SECTION
    flag[i] = FALSE;
    REMAINDER SECTION
} while (TRUE);

上述算法能够满足互斥、前进、有限等待三种特性。可以用反证法来证明。

 

2.2 更为复杂的dekker算法
dekker算法的实现如下。

flag[0] := false flag[1] := false := 0 // or 1
do {
    flag[i] = TRUE;
    while flag[j] == true {
      if turn != i {
        flag[i] := false
        while turn != i {}
        flag[i] := TRUE
}
}
CRITICAL SECTION
turn := j
flag[i] = FALSE;
REMAINDER SECTION
} while (TRUE);

 

针对多进程的Eisenberg and McGuire’s Algorithm

 

 

基本思路：对于i进程，如果前面有进程，那么i进程就等待；对于i后面的进程，则等待i。这整体是一种循环。

 

2.3 针对多进程的Bakery算法
N个进程的临界区：

• 进入临界区之前，进程接受一个数字；
• 得到的数字最小的进入临界区；
• 如果进程Pi和Pj收到相同的数字，那么如果i小于j，Pi先进入临界区，否则Pj先进入临界区；
• 编号方案总是按照枚举的增加顺序生成数字。

总结

• Dekker算法（1965）：第一个针对双线程例子的正确解决方案；
• Bakery算法（Lamport 1979）：针对n线程的临界区问题解决方案。
• 算法是复杂的：需要两个进程间的共享数据项；
• 需要忙等待（死循环）：浪费CPU时间；
• 没有硬件保证的情况下无真正的软件解决方案：Peterson算法需要原子的LOAD和STORE指令。

3. 方法3：更高级的抽象

• 硬件提供了一些同步原语，中断禁用、原子操作指令等。
• 操作系统提供更高级的编程抽象来简化进程同步，例如：锁、信号量，用硬件原语来构建

3.1 锁

锁是一个抽象的数据结构

• 一个二进制变量（锁定/解锁）
• Lock::Acquire()，锁被释放前一直等待，然后等到锁
• Lock::Release()，释放锁，唤醒任何等待的进程

3.2 原子操作指令

• 现代CPU体系结构都提供一些特殊的原子操作指令
• 测试和置位指令（Test-and-Set）指令

1. 从内存单元中读取值
2. 测试该值是否为1（是1则返回真，否则返回假）
3. 内存单元值设置为1

boolean TestAndSet (boolean *target)
       {
          boolean rv = *target;
          *target = true;
          return rv;
        }

• 交换指令（exchange）

  交换内存中的两个值

void Exchange (boolean *a, boolean *b)
              {
                  boolean temp = *a;
                  *a = b;
                  *b = temp;
              }

3.3 使用TestAndSet指令实现自旋锁（spinlock）

 3.4 忙等待与无忙等待锁

 在锁处于忙状态时，while循环会消耗CPU资源

 在无忙等待情况下，锁处于忙状态时，可通过上下文切换,将等待的线程挂到等待序列，而不进行循环，从而可以释放CPU资源。但这也要分情况讨论，因为上下文切换本身就要消耗不少资源，因此，当临界区比较短时，while循环的CPU资源消耗小于上下文切换，则应该设置为忙等锁，若临界区较长，while循环所消耗的CPU资源比上下文切换要大时，应该设置为无忙等锁。

3.5 原子操作指令锁的特征

• 优点

1. 适用于单处理器或者共享驻村的多处理器中任意数量的进程同步。
2. 简单并且容易证明
3. 支持多临界区

• 缺点

1. 忙等待消耗处理器时间
2. 可能导致饥饿，进程离开临界区时有多个等待进程的情况。
3. 死锁，拥有临界区的低优先级进程，请求访问临界区的高优先级进程获得处理器并等待临界区。通俗来说就是，低优先级的进程已经进入了临界区，而此时高优先级的进程请求访问临界区，并且高优先级的大佬已经拥有了CPU的控制权，导致了在临界区的低优先级进程不能执行下一步，而未进入临界区的高优先级进程被锁住。

四、同步方法总结

1. 锁是一种高级的同步抽象方法

• 互斥可以使用锁来实现
• 需要硬件支持

2. 常用的三种同步实现方法

• 禁用中断（仅限于单处理器）
• 软件方法（复杂）
• 原子操作指令（单处理器或多处理器均可）