进程同步、进程互斥

进程同步、进程互斥

什么是进程同步

知识点回顾：进程是具有异步性的。异步性是指，各并发执行的进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进。

操作系统要提供进程同步机制来实现上述需求

读进程和写进程并发地运行，由于并发必然导致异步性，因此“写数据”和“读数据”两个操作执行的先后顺序是不确定的。而实际应用中，又必须按照“写数据->读数据”的顺序来执行的。

同步亦称直接制约关系，它是指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因此需要在某些位置上协调他们的工作次序而产生的制约关系。进程间的直接制约关系就是源于它们之间的相互合作。

什么是进程互斥

进程的“并发”需要“共享”的支持。各个并发执行的进程不可避免的需要共享一些系统资源（比如内存、又比如打印机、摄像头这样的I/O设备）

我们把一个时间段内只允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备（比如打印机、摄像头）都属于临界资源。此外还有许多变量、数据、内存缓冲区等都属于临界资源。

对临界资源的访问，必须互斥地进程。互斥，亦称间接制约关系。进程互斥指当一个进程访问某临界资源时，另一个想要访问该临界资源的进程必须等待。当访问临界资源的进程访问结束，释放该资源之后，另一个进程才能去访问临界资源。

对临界资源的互斥访问，可以在逻辑上分为如下四个部分：

注意：

​ 临界区是进程中访问临近资源的代码段

​ 进入区和退出区是负责实现互斥的代码段。

​ 临界区可称为“临界段”。

为了实现对临界资源的互斥访问，同时保证系统整体性能，需要遵循以下原则：

1. 空闲让进。临界区空闲时 ，可以允许一个请求进入临界区的进程理解进入临界区；
2. 忙则等待。当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待；
3. 有限等待。对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区（保证不会饥饿）；
4. 让权等到。当进程不能进入临界区时，应理解释放处理机，防止进程忙等待。

进程互斥的实现方法

软件实现方法

单标志法

​ 算法思想：两个进程在访问完临界资源区后会把使用临界区的权限交给另一个进程。也就是说把每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予。

双标志先检查法

​ 算法思想：设置一个布尔型数组flag[]，数组中各个元素用来标记各进程想进入临界区的意愿，比如“flag[0] = true"意味着0号进程P0现在想要进入临界区。每个进程在进入临界区之前会先检查当前有没有别的进程想进入临界区，如果没有，则把自身对应的标志flag[i]设为true，之后开始访问临界区。

双标志后检查法

​ 算法思想：双标志先检查法的改版。前一个算法的问题是先“检查”后“上锁”，但是这两个操作又无法一气呵成，因此导致了两个进程同时进入临界区的问题。因此，人们又想到先“上锁”后“检查”的方法，来避免上述问题。

Peterson算法

​ 算法思想：双标志后检查法中，两个进程都争着想进入临界区，但是谁也不让进，最后谁都无法进入临界区。Gary.L.Peterson想到了一种方法，如果双方都争着想进入临界区，那可以让进程尝试“孔融让梨”，主动让对方先使用临界区。

​ Peterson算法用软件方法解决了进程互斥问题，遵循了空闲让进、

忙着等待、有限等待三个原则，但是依然未遵循让权等待的原则。

Peterson算法相较于之前三种软件解决方案来说，是最好的，但依然不够好。

​ 进入区：

	1. 主动争取；
	2. 主动谦让；
	3. 检查对方是否也想使用，且最后一次是不是自己说了“客气话”

硬件实现方法

中断屏蔽方法

利用“开/关中断指令”实现（与原语的实现思想相同，即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，也就不能发生进程切换，因此也不可能发生两个同时访问临界区的情况）

​ 优点：简单、高效

​ 缺点：不适用于多处理机；只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程（因为开/关中断指令只能运行在内核态，这组指令如果能让用户随意使用会很危险）

TestAndSet指令

简称TS指令，也有地方称为TestAndSetLock指令，或TSL指令

TSL指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。以下是C语言描述的逻辑

若刚开始Lock是false，则TSL返回的old值为false，while循环条件不满足，直接跳过循环，进入临界区。若刚开始lock是true，则执行TSL后old返回的值为true，while循环条件满足，会一直循环，直到当前访问临界区的进程在退出区进行“解锁”。

相比软件实现方法，TSL指令把“上锁”和“检查”操作用硬件的方式变成了一气呵成的原子操作。

优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞；适用于多处理机环境。

Swap指令

有的地方也叫Exchange指令，或简称XCHG指令

Swap指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。一下是用C语言描述的逻辑

逻辑上来看Swap和TSL并无太大区别，都是先记录下此时临界区是否已经被上锁（记录在old变量上），再将上锁标记lock设置为true，最后检查old，如果old为false则说明之前没有别的进程对临界区上锁，则可跳出循环，进入临界区。

优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞；适用于多处理机环境

缺点：不满足“让权等待”原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令，从而导致“忙等”。