操作系统笔记（3）——同步与互斥

启蒙篇

基础篇

• 并发性：cpu可以分时间段交替执行不同程序代码

1.临界资源&临界区

• 临界资源：一次只能被一个进程所使用的资源

  • eg：
    • 硬件——打印机、网卡、键盘
    • 软件——共享变量

• 临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码成为临界区

  • 每个进程在进入临界区之前，应先对欲访问的临界资源进行检查，看他是否正在被访问
    • 若是则进程不能进入临界区
    • 若否则可以进入访问，并设置其正被访问的标志

2.同步与互斥

进程（线程）之间的两种关系：同步与互斥。

• 所谓互斥，是指散布在不同进程之间的若干程序片断，当某个进程运行其中一个程序片段时，其它进程就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该进程运行完这个程序片段后才可以运行。
• 所谓同步，是指散布在不同进程之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的 某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。

同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。也就是说互斥是两个线程之间不可以同时运行，他们会相互排斥，必须等待一个线程运行完毕，另一个才能运行，而同步也是不能同时运行，但他是必须要安照某种次序来运行相应的线程（也是一种互斥）！

总结

• 互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
• 同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

3.互斥的实现

硬件方法

中断屏蔽法

• • 提要：
  • 调度时机大概可以分为三种
    • 程序结束时 —— 已经没有竞争对手，不需要互斥
    • I/O请求时
    • 时间片用完时
  • 这三种都属于中断

• 只允许cpu为一个进程服务

• 中断屏蔽法本质上是将cpu“麻痹”，令其无法接收到中断信号，如此一来就无法完成切换操作，自然可以让cpu只服务于一个进程

• 此种方法只能作用于后两种：I/O请求和时间片用完

原子硬件指令法（Test And Set、Swap）

• Test And Set、Swap是一个硬件电路，特点是不会受到中断信号的干扰，无论如何都会执行完指定段代码

软件方法

• 单标志法

  • 轮流传递的思想（令牌环网）
  • 生死系于别人（缺点）
  • 当turn的编号与自己编号相符时则使用，使用完毕后更改编号传递至下一个人

• 双标志先检查法 —— 每个人都有自己的标志（无需等待令牌了）

  • 通过设置flag值的真伪来判断对方是否要使用cpu。若对方不使用则自己用
  • 可以理解为两人相互谦让，但是比较容易产生bug
    • 若双方看对方均为false，则同时请求使用cpu时也会产生冲突
    • 若双方看对方均为true，则陷入等待

• 双标志后检查法

  • 一开始就将flag设置为true，此后再进行判断对方是否请求
  • 可以理解为双方争执，可能会出现争执不下而都无法使用（无限等待 + 饥饿）

• Peterson's算法（真正实现互斥）

  • 双方开始将flag置于true，但夺取cpu资源之前会观察对方，避免太过“强势”而造成的无限等待和饥饿问题

  • Faker(){
        while(1){
            flag[0] = true;  	//资源是自己的
            turn = 1;			//留一手，如果你也想要可以先让给你
            white(flag[1] && turn == 1){
                if(gun == 1){
                    gun = Faker;
                }else{
                    ;
                }
                flag[0] = false;
            }
        }
    }
    
    Rookie(){
        while(1){
            flag[0] = true;  	//资源是自己的
            turn = 1;			//留一手，如果你也想要可以先让给你
            white(flag[0] && turn == 0){
                if(gun == 1){
                    gun = Rookie;
                }else{
                    ;
                }
                flag[0] = false;
            }
        }
    }
    

  • 如代码所示，cpu上优先级上Rookie更高

  • 后台更改数据为最终的数据

4.信号量

由来

• P、V操作：
  • P（等待）：等待进入临界区
  • V（释放）：从临界区中出来释放资源

工作原理

typedef struct{
   
   
    int value;			    //值
    struct process *L;		//阻塞队列  PCB
}semephore;		//信号量

//S.value 的初始值很重要，可以决定最多有几个进程同时运行
//S.value > 0 时		有资源，直接入驻。资源数减一
//S.value = 0 时		刚好无资源，排队等待
//S.value < 0 时		无资源，排队，自己是负几就排第几

void wait(semephore S){
   
   
    S.value--;
    if(S.value < 0){
   
   
        //本进程放弃cpu，进队本信号量的阻塞队列
    }
}
void signal(semephore S){
   
   
    S.value++;
    if(S.value <= 0){
   
   
        //唤醒本信号量队列的第一个进程，让其等待获取cpu继续运行
    }
}

信号量实现同步

此前我们提到了判别符S，其初值尤为重要，可以决定最多有几个进程同时运行

• S > 0时 有资源，直接入驻。资源数减一
  S = 0时 刚好无资源，排队等待
  S < 0时 无资源，排队，自己是负几就排第几
• eg：此题我们来通过控制信号量的值完成同步。此题中S = 0

// 同步模板