【操作系统之硬件同步机制】

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一、硬件同步机制概述

硬件同步机制是利用硬件指令或功能来实现对临界资源的互斥访问，确保同一时刻只有一个进程或线程能够进入临界区，从而避免竞争条件和数据不一致的问题。这些机制通常依赖于硬件提供的原子操作，确保在并发环境下操作的不可分割性。

二、常见的硬件同步机制

1. 关中断

工作原理：在单处理器系统中，进程在进入临界区之前关闭中断，以防止在临界区内被其他进程打断。执行完临界区代码后，再重新开启中断。

优缺点：

• 优点：实现简单，能有效防止进程在临界区内被中断。
• 缺点：仅适用于单处理器系统；在多处理器系统中，其他处理器仍可能访问临界资源。此外，长时间关闭中断可能影响系统的实时性和响应性。

2. Test-and-Set指令

工作原理：Test-and-Set（TS）指令是一种原子操作，用于测试并设置一个标志位。其伪代码如下：

boolean TS(boolean *lock) {
    boolean old = *lock;
    *lock = TRUE;
    return old;
}

实现互斥：在进入临界区前，进程调用TS指令测试并设置锁。如果返回值为FALSE，表示锁之前未被占用，进程可以进入临界区；否则，进程需等待。

优缺点：

• 优点：操作原子性强，适用于多处理器系统。
• 缺点：可能导致忙等，即进程在等待期间不断测试锁状态，浪费CPU资源。

3. Swap指令

工作原理：Swap指令交换两个变量的值，其伪代码如下：

void Swap(boolean *a, boolean *b) {
    boolean temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

实现互斥：进程在进入临界区前，将一个局部变量设置为TRUE，并使用Swap指令将其与全局锁变量交换。如果全局锁之前为FALSE，交换后全局锁为TRUE，表示进程成功获取锁；否则，进程需等待。

优缺点：

• 优点：操作原子性强，适用于多处理器系统。
• 缺点：同样可能导致忙等问题。

三、硬件同步机制的局限性

虽然硬件同步机制提供了原子操作，能有效实现进程间的互斥访问，但它们也存在一些局限性：

• 忙等问题：许多硬件同步机制可能导致进程在等待期间不断检查锁状态，浪费CPU资源。
• 可扩展性差：在大型多处理器系统中，频繁使用硬件同步机制可能导致系统性能下降。
• 复杂性：硬件同步机制的实现和使用需要对底层硬件有深入了解，增加了编程复杂性。

参考资料

• 操作系统之进程同步：硬件同步机制、信号量、管程
• 进程同步机制（软件同步，硬件同步，信号量，管程）
• 操作系统笔记（三）——硬件同步机制和信号量机制