操作系统中的同步机制：深入理解信号量与互斥锁-优快云博客

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操作系统中的同步机制：深入理解信号量与互斥锁

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引言：为什么需要同步机制？

在多进程/多线程环境中，当多个执行单元同时访问共享资源时，可能会导致数据不一致的问题。想象一下，两个线程同时对一个银行账户进行取款操作，如果没有适当的同步机制，可能会导致账户余额计算错误。这就是为什么我们需要信号量(Semaphore)和互斥锁(Mutex)这样的同步机制。

信号量(Semaphore)详解

基本概念

信号量是由荷兰计算机科学家Dijkstra提出的一种同步机制，用于控制多个进程对共享资源的访问。它本质上是一个计数器，用于管理对共享资源的访问权限。

关键术语：临界区(Critical Section)

临界区是指访问共享资源的代码段，这个区域在任何时候只能有一个进程执行。保护临界区是信号量的主要职责。

信号量操作：P/V原语

信号量通过两个原子操作来实现同步：

P操作（来自荷兰语"Proberen"，意为测试）：
- 尝试获取资源
- 如果信号量值>0，则减1并继续执行
- 如果信号量值=0，则进程进入等待状态
V操作（来自荷兰语"Verhogen"，意为增加）：
- 释放资源
- 将信号量值加1
- 如果有进程在等待，唤醒其中一个

信号量实现示例

// P操作
void P(semaphore S) {
    while(S <= 0); // 忙等待（实际实现中通常会阻塞）
    S--;
}

// V操作
void V(semaphore S) {
    S++;
}

信号量的类型

二进制信号量：值只能是0或1，类似于互斥锁
计数信号量：值可以大于1，用于控制有限数量的资源访问

互斥锁(Mutex)深入解析

基本概念

互斥锁是"Mutual Exclusion"的缩写，它确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。与二进制信号量类似，但通常具有更严格的语义。

互斥锁操作

lock()：尝试获取锁
- 如果锁可用，获取锁并继续执行
- 如果锁被占用，线程阻塞
unlock()：释放锁

互斥锁与二进制信号量的区别

虽然二者在功能上相似，但存在重要区别：

所有权概念：互斥锁有所有者概念，只有锁的持有者才能释放它
优先级继承：互斥锁通常支持优先级继承，防止优先级反转问题
使用场景：互斥锁用于线程同步，信号量更通用

经典互斥算法

1. Dekker算法

最早的解决双进程互斥问题的算法，结合了"标记变量"和"轮转"两种思想。

// 进程i的代码
while(true) {
    flag[i] = true;
    while(flag[j]) {
        if(turn == j) {
            flag[i] = false;
            while(turn == j);
            flag[i] = true;
        }
    }
    // 临界区
    turn = j;
    flag[i] = false;
}

2. Peterson算法

更简洁的双进程互斥解决方案，通过主动让权实现互斥。

// 进程i的代码
while(true) {
    flag[i] = true;
    turn = j;
    while(flag[j] && turn == j);
    // 临界区
    flag[i] = false;
}

3. Bakery算法

适用于多进程的互斥解决方案，模拟面包店取号机制。

// 进程i的代码
while(true) {
    choosing[i] = true;
    number[i] = max(number[0..n-1]) + 1;
    choosing[i] = false;
    
    for(int j = 0; j < n; j++) {
        while(choosing[j]);
        while(number[j] != 0 && 
             (number[j] < number[i] || 
             (number[j] == number[i] && j < i)));
    }
    // 临界区
    number[i] = 0;
}