【操作系统】进程同步与通信

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1. 进程同步

1.1 定义与重要性

进程同步是指对多个相关进程在执行次序上进行协调，使得它们能够按照一定的规则和顺序来访问共享资源或者协同完成某项任务。在多进程环境下，如果没有合适的同步机制，各个进程随意地访问共享资源，就很容易出现数据不一致、程序逻辑混乱等问题，所以进程同步对于保证系统的正确性和稳定性至关重要。

例如，在一个火车票售票系统中，多个售票窗口（可看作多个进程）同时售卖同车次的车票，车票剩余数量就是它们共享的资源。如果没有同步机制，可能会出现多个窗口同时卖出同一张车票的情况，导致数据出错。而通过合适的进程同步手段，就能确保每个车票的售卖操作都是有序且正确的，不会出现这种冲突问题。

1.2 常见的进程同步机制

• 临界区（Critical Section）：

  • 概念：临界区是一段代码，在这段代码中进程访问共享资源，而同一时刻只允许一个进程进入临界区访问该共享资源，其他想要访问的进程必须等待。例如在上述火车票售票系统中，修改车票剩余数量的代码部分就是临界区，每次只能有一个售票窗口对应的进程进入这里进行操作。
  • 实现原则：为了保证临界区的正确使用，需要遵循以下原则：
    • 空闲让进：当没有进程处于临界区时，应该允许一个请求进入临界区的进程立即进入。
    • 忙则等待：如果已有进程在临界区内，其他试图进入临界区的进程必须等待。
    • 有限等待：一个进程在提出进入临界区的请求后，应能在有限时间内进入临界区，避免出现进程一直等待却无法进入的“饥饿”现象。
    • 让权等待：当进程不能进入临界区时，应立即释放 CPU 资源，避免占用 CPU 进行无效等待。

• 信号量（Semaphore）：

  • 基本原理：信号量是一个整型变量，它被用于控制多个进程对共享资源的访问，同时还可实现进程间的同步。它有两个标准的原子操作（不可被中断的操作），即 P 操作（一般也叫 wait 操作）和 Q 操作（也叫 signal 操作或 V 操作）。P 操作会使信号量的值减 1，如果减 1 后的值小于 0，则