进程之间的同步与互斥

开发运维 2023-09-30 竹子爱熊猫手机阅读

进程同步和进程互斥

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。进程同步进程同步是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。为进程之间的直接制约关系。在多道环境下，这种进程间在执行次序上的协调是必不可少的。进程互斥对临界资源的访问，必须互斥地进行。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。

进程互斥的四个部分

do{
entry section; //进入区 检查是否可以进入临界区，若能进入，需要“上锁”
critical section; //临界区 访问临界资源的代码
exit section; //退出区 “解锁”
remainder section //剩余区 其余代码部分
}while(true)

进程互斥需要的原则为了实现对临界资源的互斥访问，同时保证系统整体性能，需要遵循以下原则： 1.空闲让进。临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区； 2.忙则等待。当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待；

有限等待。对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区(保证不会饥饿)； 4.让权等待。当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机，防止进程忙等待。

进程互斥的软件实现方法

单标志法：两个进程在访问完临界区后会把使用临界区的权限转交给另一个进程。也就是说每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予。该算法可以实现“同一时刻最多允许一个进程访问临界区”，如果一个进程一直不访问临界区，那么虽然临界区空闲，但是另一个进程无法访问临界区。缺点：违背了“空闲让进原则”

（1）双标志先检查法双标志先检查法设置一个布尔型的数组，数组中的每个元素用来标记各个进程是否想进入临界区。可能会出现两个进程同时想访问临界区的现象缺点：违背了“忙则等待”原则（2）双标志后检查法后检查法是对先检查法的改进，如果一个进程想要访问临界区，就会先“上锁”，然后再“检查”，避免两个进程同时访问临界区的现象。此算法可能会导致两个进程都无法进入临界区的现象。缺点：虽然解决了“忙则等待问题”，但是违背了“空闲让进”和“有限等待”原则，如果各个进程长期无法访问资源，可能会导致“饿死”现象。

Peterson算法双标志后检查法中，两个进程都想访问临界区，可能导致都无法访问资源的情况，而Peterson算法可以解决这个问题，如果双方都想进入临界区，那么一个进程就可以主动让对方先进入临界区。优缺点：Peterson算法遵循空闲忙进，忙则等待，有限等待三个原则，但依然没有遵循让权等待的原则。

进程互斥的硬件实现方法

中断屏蔽方法利用“开中断关中断指令”实现即某进程开始访问临界区到结束访问临界区为止都不允许被中断，也就不能发生进程切换，避免了两个进程同时访问临界区的情况优点：简单、高效缺点：不适用于多处理机；只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程(因为开/关中断指令只能运行在内核态，这组指令如果能让用户随意使用会很危险)

TestAndSet指令简称TS指令，也有地方称为TestAndSetLock指令，或TSL指令。 TSL指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。相比软件实现方法，TSL指令把“上锁”和“检查”操作用硬件的方式变成了一气响成的原于操作。优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞；适用于多处理机环境缺点：不满足“让权等待”原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令，从而导致“忙等”。

Swap指令有的地方也叫Exchange指令，或简称XCHG指令。Swap指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。逻辑上来看Swap和TSL并无太大区别，都是先记录下此时临界区是否已经被上锁(记录在old变量上)，再将上锁标记lock设置为true，最后检查old，如果old为false则说明之前没有别的进程对临界区上锁，则可跳出循环，进入临界区。优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞；适用于多处理机环境缺点：不满足“让权等待”原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令，从而导致“忙等”。