五、同步互斥机制1

本讲内容：
1.进程的并发执行
2.进程互斥
3.进程同步
4.信号量及PV操作
5.经典的IPC问题
  

1.进程的并发执行

并发→所有问题产生的基础
并发→操作系统设计的基础
  
进程的特征所带来的问题：
并发→进程的执行是间断性的；进程的相对执行速度不可预测
共享→进程/线程之间的制约性
不确定性→进程执行的结果与其执行的相对速度有关，是不确定的
  
这些问题会导致正常的运行顺序被打乱，从而导致结果的不正确
  
  

2.进程互斥

竞争条件（RACE CONDITION）

竞争条件：两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序

竞争条件所带来的错误结果↓↓↓↓↓↓

  
  

进程互斥（MUTUAL EXCLUSIVE）

各进程之间 竞争使用这些资源，而这些资源具有排他性——这一关系成为进程互斥
  
临界资源：critical resource
资源——一次只允许一个进程使用——临界资源/互斥资源/共享变量
  
临界区（互斥区）：critical section(region)
各个进程中的某一段代码都对某一个共享资源进行操作，那么各个进程中的这段代码互为临界区/互斥区
  
  

3.进程互斥的软件解决方案

DEKKER算法

美[ˈdɛkər]
1965年，第一个解决临界区保护问题的算法

  

PETERSON算法

美[ˈpitərsən]


假设1和0都想进入临界区，0先把1赋值给turn
  假如进程0先想进入临界区→turn=process=0；紧接着进程1也想进入临界区turn=process=1。这时turn1，之前turn=0被覆盖掉了。在进程0里，while（turnprocess==0）与目前的turn值不相等，所以跳出循环进入临界区。

  
  

4.进程互斥的硬件解决方案

硬件解法1——中断屏蔽方法

“开关中断”指令
优点：简单，高效
缺点：代价高，限制CPU并发能力（临界区大的进程）；只针对单个处理器，不适用于多处理器；适用于操作系统本身，不适用于用户进程。
  

硬件解法2——“测试并加锁”指令

TSL指令：TEST AND SET LOCK
  

硬件解法3——"交换"指令

XCHG指令：EXCHANGE
  

小结

软件方法
  带来一定的开销
  对编程技巧要求高
硬件方法
  开关中断指令、“”测试并加锁“指令、”交换“指令
忙等待（busy waiting）
  进程在得到临界区访问权之前，持续测试而不做其他事情
  在单处理器系统中不适用
  但是到了多处理器时，为了减少切换带来的开销，就让一个进程某一个cpu上一直测试（自旋），就形成一众锁——自旋锁 Spin lock（多处理器√）
优先级反转（倒置）
  基于优先级的抢占调度
  
  

5.进程同步

进程同步：synchronization
  指系统中多个进程中发生的事件存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务
  
  具体地说，一个进程运行到某一点时，要求另一伙伴进程为它提供消息，在未获得消息之前，该进程进入阻塞态，获得消息后被唤醒进入就绪态
  
  

生产者消费者问题

避免忙等待——用 睡眠 与 唤醒 操作


用 睡眠 与 唤醒 操作来避免忙等待，没有完全解决生产者消费者问题
  在判断if(count==0)还没有调用sleep()之前，消费者被切换下cpu，生产者做wakeup(consumer),而生产者本来就在唤醒状态。当生产者被切换下cpu，消费者上cpu首先做sleep()，刚才生产者wakeup（）已经完成了，所以消费者不会被唤醒
  
  

6.信号量及PV操作

——一种经典的进程同步机制
同步机制——我们通常把进程的互斥看成是一种特殊的同步
信号量是一个特殊变量
用于进程间传递信息的一个整数值
对信号量可以实施的操作：初始化、P和V
  

P、V操作定义

P操作：给信号量-1，判断信号量是否<0，若<0则将该进程设置为阻塞态，并将其插入到响应的等待队列末尾；若不<0，则继续执行该进程。
  
V操作：给信号量+1，判断信号量是否<=0,若是则证明原来的信号量上有进程在等，唤醒相应等待队列中等待的一个进程，改变其状态为就绪态，并将其插入就绪队列

  

7.生产者消费者问题

同步：对同一个信号量的P操作和V操作是分散在两个不同进程里头。

8.读者写者问题

用信号量解决读者/写者问题

解决读写不能同时进行的问题👇

解决多个读者同时读的问题👇