《现代操作系统》——第5章 同步互斥机制（一）

1. 同步与互斥产生的背景：由于进程的三个特征导致的可能的时序错误，会引起程序执行错误
   • 并发：进程的执行是间断性的，多个进程在执行的过程中不断切换
   • 共享：多个进程间存在共享资源，并且多个进程间断性地执行，可能导致一个进程对数据的操作过程被另一个使用该数据的进程损坏，因此需要对使用共享资源的进程制定制约机制
   • 随机：进程的执行具有随机性，因此进程的执行结果是不确定的，无法确定性的知道各进程的执行顺序和执行结果，因此也就无法得知共享资源具体被做了哪些修改，当产生错误时也不知道到底经历了什么样的出错过程
2. 竞争条件：两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序，由此引起的两个进程间的资源竞争
3. 进程互斥——竞争关系
   • 概念：由于各进程要求使用共享资源（变量、文件等），而这些资源需要排他性使用，各进程之间竞争使用这些资源——这一关系称为进程互斥
   • 临界资源：系统中有某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量
   • 临界区：各个进程中对某个临界资源进行操作的程序片段
   • 临界区的使用原则：
     • 没有进程在临界区时，想进入临界区的进程可以进入
     • 不允许两个进程同时处于临界区中
     • 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程进入临界区
     • 不得使进程无限期地等待进入临界区
   • 实现进程互斥的方案：
     • 软件方案：Dekker解法、Peterson解法
     • 硬件方案：屏蔽中断（简单高效；代价高，限制CPU的并发能力；不适用于多处理器；适用于操作系统本身而不适用于用户进程）、TLS指令（Test and Set Lock）、XCHG指令（EXCHANGE）
   • 忙等待：进程在得到临界区访问权之前，持续测试而不做其他事情。自旋锁做的就是忙等待，常用与多处理（多核）的条件下。
4. 进程同步——协作关系
   • 概念：指系统中多个进程中发生的事件存在时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务。具体地说，一个进程运行到某一时间点时，要求另一伙伴进程为他提供消息，在未获得消息前，该进程进入阻塞态，获得消息后被环形进入就绪态。常见的进程间同步问题为：生产者消费者问题
   • 信号量及PV操作——经典进程同步机制
     • 信号量：是一个特殊的变量，是用于进程间传递消息的一个整数值，定义如下。对信号量可以实施的操作只有三种：初始化、P（test）、V（increase）

       struct semphore
       {
       　　int count;
       　　queueType queue;
       }

     • P、V操作的定义：信号量S>=0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，且S的绝对值表示正在等待资源的进程数，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S<0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。

       procedure P(var s:samephore);
       {
            s.value=s.value-1;
            if (s.value<0)
                 asleep(s.queue);
       }
       procedure V(var s:samephore);
       {
            s.value=s.value+1;
            if (s.value<=0)
                 wakeup(s.queue);
       }

     • 用信号量实现互斥：
       • 设置信号量mutex初值为1
       • 在临界区之前实施P(mutex)
       • 在临界区之后实施V(mutex)
     • 生产者-消费者问题：其中信号量empty和full用于生产者-消费者之间的同步，mutex是为了解决写与读不可同时进行而后引入的互斥信号量。从这段程序可以看出：使用PV操作实现进程同步时，同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程（相互协作的进程）代码中；而使用PV操作实现进程互斥时，实现互斥的P、V操作必须成对出现，且在同一进程中，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。

       void producer(void)
       {
       　　int item;
       　　while( true )
       　　{
       　　　　item = produce_item();
       　　　　P( &empty );
       　　　　P( &mutex );
       　　　　insert_item( item );
       　　　　V( &mutex );
       　　　　V( &full );
       　　}
       }

       void consumer(void)
       {
       　　int item;
       　　while( true )
       　　{
       　　　　P( &full );
       　　　　P( &mutex );
       　　　　item = remove_item();
       　　　　V( &mutex );
       　　　　V( &empty );
       　　　　consume_item( item );
       　　}
       }

     • 对于信号量及PV操作，可以参考：https://www.xuebuyuan.com/3230387.html