操作系统——多进程

进程同步与互斥

有时并发的几个进程为了完成某个任务，需要按一定顺序先后进行操作，这种顺序就是直接制约关系，又叫进程同步。在同步操作时，多个进程需要访问同一个资源，这个资源叫临界资源。一个进程访问临界区时，其他进程都无法访问，这叫间接制约关系，也叫互斥。
互斥访问临界资源代码的组成部分：

• 进入区：负责检查能否进入临界区，如果可以，就设置正在的访问的标志，可以理解为加锁。
  临界区：访问临界资源并操作数据的代码段。
• 退出区：解除正在访问临界区的标志，可以理解为解锁。
  剩余区：其他操作。

互斥访问的原则：

• 空闲让进：临界区没有进程时，可以允许请求访问临界区的进程访问。
• 忙则等待：如果有线程在访问临界区，其他线程必须等待。
  有限等待：进程等待的时间必须是有限的。
• 让权等待：如果进程无法访问临界区，那么就得释放处理机。
  互斥访问算法：
• 单标志法：设计一个“标志”，是布尔型变量，如果想访问临界区就设为true。在进入区只检查标志，不进行上锁。违反了忙则让进原则。
• 双标志先检查：标志是一个布尔型变量的数组，如果线程1想访问临界区，就把下标为1的元素设为true，先检查标志再加锁。如违反忙则等待原则
• 双标志后检查：先加锁后检查。违反空闲让进、有限等待。
• Pterson算法：在双标志后检查加法中遇到都想进入线程。违反让权等待原则。

互斥访问指令：

• 中断屏蔽方法：使用开/关中断指令，适用于单处理机和内核进程。
• TestAndSet：使用TS/TSL指令。
• Swap：XCHG指令。

信号量

信号量是指系统中某种资源的数量，比如打印机。系统通过一对原语对信号量进行操作wait(S)和signal(S)，可以简写为P(S)、V(S)，即P、V操作

• 整数型信号量：使用wait原语检查信号量是否大于0，大于0就让进程进入临界区，信号量减1，否则让进程等待下去直到信号不为0，相当于“进入区”。如果有进程退出临界区，就通过signal原语把资源加1。优点是实现了加锁和检查一起进行，缺点是这种信号量无法在没有空闲资源时让等待的线程阻塞，违反让权等待原则。
• 记录型信号量：记录型信号量既记录资源数，还记录阻塞队列里的进程。进程需要进入临界区时，就使用wait原语，wait原语将信号量减1，如果信号量的剩余资源数小于0就把进程挂到信号量的阻塞队列里。如果一个进程使用完了资源，就通过signal原语退出，资源数加1，如果还是小于等于0，那么就唤醒等待队列里的进程，让它进入就绪状态。这样就不违背让权等待原则。

管程

信号量实现起来比较复杂，管程是一种能替代信号量功能的更简单的软件模块，结构如下：

• 只在管程内共享的数据结构说明
• 对数据结构进行操作的一组过程（函数）
• 对数据结构进行初始化的语句
• 管程的名字

管程的特点：

• 进程只能通过管程提供的“入口”才能进入管程
  = 同一时间只有只有一个进程在管程内操作