在多道程序环境下，进程是并发执行的，不同进程之间存在着不同的相互制约关系。为了协调进程之间的相互制约关系，引入了进程同步的概念。
竞争条件：多个进程并发访问和操作同一数据且执行结果与访问发生的特定顺序有关。
临界资源
虽然多个进程可以共享系统中的各种资源，但其中许多资源一次只能为一个进程所使用，把一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。对临界资源的访问，必须互斥地进行，在每个进程中，访问临界资源的那段代码称为临界区。为了保证临界资源的正确使用，可以把临界资源的访问过程分成四个部分：
- 进入区。为了进入临界区使用临界资源，在进入区要检查可否进入临界区，如果可以进入临界区，则应设置正在访问临界区的标志，以阻止其他进程同时进入临界区。
- 临界区。进程中访问临界资源的那段代码，又称临界段。
- 退出区。将正在访问临界区的标志清除。
- 剩余区。代码中的其余部分。
do {
entry section; //进入区
critical section; //临界区
exit section; //退出区
remainder section; //剩余区
} while (true)
同步
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，这些进程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系就是源于它们之间的相互合作。例如，输入进程A通过单缓冲向进程B提供数据。当该缓冲区空时，进程B不能获得所需数据而阻塞，一旦进程A将数据送入缓冲区，进程B被唤醒。反之，当缓冲区满时，进程A被阻塞，仅当进程B取走缓冲数据时，才唤醒进程A。
互斥
互斥亦称间接制约关系。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, 当占用临界资源的进程退出临界区后，另一进程才允许去访问此临界资源。为禁止两个进程同时进入临界区，同步机制应遵循以下准则：
- 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立即进入临界区。
- 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。
- 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。
- 让权等待。当进程不能进入临界区时，应立即释放处理器，防止进程忙等待。
临界区互斥的实现方法
软件实现方法
在进入区设置和检查一些标志来标明是否有进程在临界区中，如果已有进程在临界区，则在进入区通过循环检查进行等待，进程离开临界区后则在退出区修改标志。
1) 单标志法。
该算法设置一个公用整型变量turn,用于指示被允许进入临界区的进程编号，即若turn=0，则允许P0进程进入临界区。该算法可确保每次只允许一个进程进入临界区。但两个进程必须交替进入临界区，如果某个进程不再进入临界区了，那么另一个进程也将进入临界区（违背“空闲让进”）这样很容易造成资源利用 的不充分。
// P0进程
while(turn!=0);
critical section;
turn=1;
remainder section;
// P1进程
while(turn!=1); // 进入区
critical section; // 临界区
turn = 0; // 退出区
remainder section; // 剩余区
2)Peterson’s Algorithm。
为了防止两个进程为进入临界区而无限期等待，又设置变量turn，指示允许进入临界区的进程编号，每个进程在先设置自己标志后再设置turn标志，不允许另一个进程进入。这时，再同时检测另一个进程状态标志和不允许进入标志，这样可以保证当两个进程同时要求进入临界区，只允许一个进程进入临界 区。
// Pi进程
flag[i]=TURE; turn=j;
while(flag[j]&&turn==j);
critical section;
flag[i]=FLASE;
remainder section;
// Pj进程
flag[j] =TRUE;turn=i; // 进入区
while(flag[i]&&turn==i); // 进入区
critical section; // 临界区
flag[j]=FLASE; // 退出区
remainder section; // 剩余区
硬件实现方法
计算机提供了特殊的硬件指令，允许对一个字中的内容进行检测和修正，或者是对两个字的内容进行交换等。通过硬件支持实现临界段问题的低级方法或称为元方法。
1) 中断屏蔽方法
当一个进程正在使用处理机执行它的临界区代码时，要防止其他进程再进入其临界区访问的最简单方法是禁止一切中断发生，或称之为屏蔽中断、关中断。因为 CPU只在发生中断时引起进程切换，这样屏蔽中断就能保证当前运行进程将临界区代码顺利地执行完，从而保证了互斥的正确实现，然后再执行开中断。其典型模式为：
… 关中断; 临界区; 开中断; …
这种方法限制了处理机交替执行程序的能力，因此执行的效率将会明显降低。对内核来说，当它执行更新变量或列表的几条指令期间关中断是很方便的，但将关中断的权力交给用户则很不明智，若一个进程关中断之后不再开中断，则系统可能会因此终止。
2) 硬件指令方法
TestAndSet指令：这条指令是原子操作，即执行该代码时不允许被中断。其功能是读出指定标志后把该标志设置为真。指令的功能描述如下：
boolean TestAndSet(boolean *lock){
boolean old;
old = *lock;
*lock=true;
return old;
}
可以为每个临界资源设置一个共享布尔变量lock，表示资源的两种状态：true表示正被占用，初值为false。在进程访问临界资源之前，利用 TestAndSet检查和修改标志lock；若有进程在临界区，则重复检查，直到进程退出。利用该指令实现进程互斥的算法描述如下：
while TestAndSet (& 1ock);
// 进程的临界区代码段;
lock=false;
// 进程的其他代码
Swap指令：该指令的功能是交换两个字节的内容。其功能描述如下。
Swap(boolean *a, boolean *b){
boolean temp;
Temp=*a;
*a = *b;
*b = temp;
}
注意：以上对TestAndSet和Swap指令的描述仅仅是功能实现，并非软件实现定义，事实上它们是由硬件逻辑直接实现的，不会被中断。
应为每个临界资源设置了一个共享布尔变量lock，初值为false；在每个进程中再设置一个局部布尔变量key，用于与lock交换信息。在进入临界区之前先利用Swap指令交换lock
与key的内容，然后检查key的状态；有进程在临界区时，重复交换和检查过程，直到进程退出。利用Swap指令实现进程互斥的算法描述如下：
key=true;
while(key!=false)
Swap(&lock, &key);
// 进程的临界区代码段；
lock=false;
// 进程的其他代码；
硬件方法的优点：适用于任意数目的进程，不管是单处理机还是多处理机；简单、容易验证其正确性。可以支持进程内有多个临界区，只需为每个临界区设立一个布尔变量。
硬件方法的缺点：进程等待进入临界区时要耗费处理机时间，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，从而导致“饥饿”现象。
信号量
信号量是一种功能较强的机制，可用来解决互斥与同步的问题，它只能被两个标准的原语wait(S)和signal(S)来访问，也可以记为“P操作”和“V操作”。
原语是指完成某种功能且不被分割不被中断执行的操作序列，通常可由硬件来实现完成不被分割执行特性的功能。如前述的“Test-and-Set”和“Swap”指令，就是由硬件实现的原子操作。原语功能的不被中断执行特性在单处理机时可由软件通过屏蔽中断方法实现。
原语之所以不能被中断执行，是因为原语对变量的操作过程如果被打断，可能会去运行另一个对同一变量的操作过程，从而出现临界段问题。如果能够找到一种解决临界段问题的元方法，就可以实现对共享变量操作的原子性。
整型信号量
整型信号量被定义为一个用于表示资源数目的整型量S，wait和signal操作可描述为：
wait(S){
while (S<=0);
S=S-1;
}
signal(S){
S=S+1;
}
wait操作中，只要信号量S<=0，就会不断地测试。因此，该机制并未遵循“让权等待” 的准则，而是使进程处于“忙等”的状态。
记录型信号量
记录型信号量是不存在“忙等”现象的进程同步机制。除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value外，再增加一个进程链表L，用于链接所有等待该资源的进程，记录型信号量是由于釆用了记录型的数据结构得名。记录型信号量可描述为：
typedef struct{
int value;
struct process *L;
} semaphore;
相应的wait(S)和signal(S)的操作如下：
void wait (semaphore S) { //相当于申请资源
S.value--;
if(S.value<0) {
add this process to S.L;
block(S.L);
}
}
wait操作，S.value--，表示进程请求一个该类资源，当S.value<0时，表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用block原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到该类资源的等待队列S.L中，可见该机制遵循了“让权等待”的准则。
void signal (semaphore S) { //相当于释放资源
S.value++;
if(S.value<=0){
remove a process P from S.L;
wakeup(P);
}
}
signal操作，表示进程释放一个资源，使系统中可供分配的该类资源数增1，故S.value++。若加1后仍是S.value<=0，则表示在S.L中仍有等待该资源的进程被阻塞，故还应调用wakeup 原语，将S.L中的第一个等待进程唤醒。
利用信号量实现同步
信号量机构能用于解决进程间各种同步问题。设S为实现进程P1、P2同步的公共信号量，初值为0。进程P2中的语句y要使用进程P1中语句x的运行结果，所以只有当语句x执行完成之后语句y才可以执行。其实现进程同步的算法如下：
semaphore S = 0; //初始化信号量
P1 ( ) {
// …
x; //语句x
V(S); //告诉进程P2,语句乂已经完成
}
P2()）{
// …
P(S) ; //检查语句x是否运行完成
y; // 检查无误，运行y语句
// …
}
利用信号量实现进程互斥
信号量能很方便地解决进程互斥问题。设S为实现进程Pl、P2互斥的信号量，由于每次只允许一个进程进入临界区，所以S的初值应为1（即可用资源数为1)。只需把临界区置于P(S)和V(S)之间，即可实现两进程对临界资源的互斥访问。其算法如下：
semaphore S = 1; //初化信号量
P1 ( ) {
// …
P(S); // 准备开始访问临界资源，加锁
// 进程P1的临界区
V(S); // 访问结束，解锁
// …
}
P2() {
// …
P(S); //准备开始访问临界资源，加锁
// 进程P2的临界区；
V(S); // 访问结束，解锁
// …
}
互斥的实现是不同进程对同一信号量进行P、V操作，一个进程在成功地对信号量执行了 P操作后进入临界区，并在退出临界区后，由该进程本身对该信号量执行V操作,表示当前没有进程进入临界区，可以让其他进程进入。
管程的定义
系统中的各种硬件资源和软件资源，均可用数据结构抽象地描述其资源特性，即用少量信息和对资源所执行的操作来表征该资源，而忽略了它们的内部结构和实现细 节。管程是由一组数据以及定义在这组数据之上的对这组数据的操作组成的软件模块，这组操作能初始化并改变管程中的数据和同步进程。
管程的组成
1) 局部于管程的共享结构数据说明。
2) 对该数据结构进行操作的一组过程。
3) 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句。
管程的基本特性
1) 局部于管程的数据只能被局部于管程内的过程所访问。
2) 一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程访问共享数据。
3) 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程。
由于管程是一个语言成分，所以管程的互斥访问完全由编译程序在编译时自动添加，无需程序员关注，而且保证正确。