操作系统-10-进程同步和互斥

前言

1. 同步和互斥的概念

1.1 进程同步

• 同步也称为直接制约关系。
• 在多道程序环境下，进程是并发执行的，不同进程之间存在着不同的相互制约关系。为了协调进程之间的相互制约关系,如等待、传递信息等，引入了进程同步的概念。进程同步是为了解决进程的异步问题。
• 一个简单的例子来理解这个概念。
• 例如，让系统计算1 + 2x3，假设系统产生两个进程: 一个是加法进程，一个是乘法进程。要让计算结果是正确的，一定要让加法进程发生在乘法进程之后,但实际上操作系统具有异步性,若不加以制约，加法进程发生在乘法进程之前是绝对有可能的，因此要制定一定的机制去约束加法进程，让它在乘法进程完成之后才发生。

异步性：进程具有异步性的特征。异步性是指，各并发执行的进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进。

1.2 进程互斥

• 互斥，亦称间接制约关系。进程互斥指当一个进程访问某临界资源时，另一个想要访问该临界资源的进程必须等待。当前访问临界资源的进程访问结束，释放该资源之后，另一个进程才能去访问临界资源。
• 在这里需复习一下临界资源的概念。
• 我们把一个时间段内只允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备(比如摄像头、打印机)都属于临界资源。此外还有许多变量、数据、内存缓冲区等都属于临界资源。
• 对临界资源的访问，必须互斥地进行。

• 为了禁止两个进程同时进入临界区，需遵循以下准则

2. 临界区进程互斥的实现方法

2.1 软件实现方法

• 软件实现方法的思想：在进入区设置并检查一些标志 来标明是否有进程在临界区中,若已有进程在临界区，则在进入区通过循环检查进行等待，进程离开临界区后则在退出区修改标志。
• 入区通过循环检查进行等待，进程离开临界区后则在退出区修改标志。

1. 单标志法

2. 双标志先检查法

3. 双标志后检查法

4. Peterson 算法

2.2 硬件实现方法

1. 中断屏蔽

2. TestAndSet指令

• 执行TSL指令时，它的内部运转逻辑：
  • 假设lock现在为false，代表临界资源A空闲，那么我就可以访问这个资源，同时将lock=true，提醒别的进程，这个临界资源A我正在使用，让他们等等
  • 假设lock为true，代表临界资源正在有人使用，所以我必须等待，并且将lock=true，并不影响什么，所以没关系，只是为了让lock为false时可以上锁，将上锁与检查在一个TSL指令完成。

3. swap 指令

• old是每个进程都要进行的一步，都必须将old=true
• 分析一下这样做的原因：
  • 因为lock是某一特定临界资源的共享变量，当每一个进程准备访问这个特定的临界资源时，初始化old=true，然后进入while循环进行交换，如果当前lock是false,则交换后old=false,则当前进程可以跳出循环进入临界区代码段，
  • 同时因为交换，lock=old=true上锁，不让别的进程来打扰，别的进程会因为lock变为true,一直在while循环等待,当我使用完临界资源，则将lock=false,此时别的进程再交换old和lock就能判断old=false,可以跳出循环，使用临界资源。

3. 信号量

3.1 整型信号量

3.2 记录型信号量

• 一个案例：打印机资源为2访问

3.3 信号量机制实现进程同步和互斥

3.3.1 互斥

3.3.2 同步

• 想象一下四则运算的顺序，加减乘除；

• 要想理解这一部分知识，必须知道P、V操作的内部实现原理

3.3.3 前驱关系

4. 管程

4.1 为什么要引入管程？

4.2 管程的基本组成

4.3 管程实现消费者生产者问题

4.4 java中的管程

参考书籍：《王道考研计算机操作系统》

参考博客 ：https://mubu.com/doc/Cd-Y4YOfkh#o-1d01735b78f18c07f