操作系统（四）—— 进程同步与互斥
一、进程间相互作用
1、相关进程和无关进程
在一个多道程序系统中同时运行的并发进程通常有多个，在逻辑上具有某种联系的进程被称为相关进程，在逻辑上没有任何联系的进程被称为无关进程，并发进程相互之间可能是无关的，也可能是相关的。
如果一个进程的执行不影响其他进程的执行，且与其他进程的进展情况无关，即它们是各自独立的，则说这些并发进程的相互之间是无关的。
如果一个进程的执行依赖其他进程的进展情况，或者说，一个进程的执行可能影响其他进程的执行结果，则说这些并发进程是相关的。
2、与时间有关的错误
进程执行的速度是不能由进程自身来控制的，对于相关进程来说，可能有若干并发进程同时使用共享资源，即一个进程一次使用未结束，另一进程也开始使用，形成交替使用共享资源。在这种情况下，使得程序的计算结果与并发程序的执行速度有关，这种随执行速度的不同而可能出现的错误，被称为“与时间有关的错误”。
二、进程的同步与互斥
1、进程的同步
进程的同步是指进程之间的一种直接的协同工作关系，一些进程相互合作，共同完成一项任务。进程之间的同步也是进程间的一种直接制约关系，一个进程的执行依赖另一个进程的消息，当一个进程执行到某一点时，必须得到另一个进程发来的消息，有没有得到另一个进程的消息时该进程应该等待，直到消息到达才被唤醒，继续进程的执行。
2、进程的互斥
在系统中，许多进程常常需要共享资源，而这些资源往往要求排他性的使用，即一次只能为一个进程服务。因此，各进程只能互斥使用这些资源，进程之间的这种关系就是进程的互斥。
3、临界区
若在系统中的某些资源一次只允许一个进程使用，则这类资源称为临界资源或共享变量，而在进程中访问临界资源的程序称为临界区。
如果有若干进程共享某一临界区，则该临界区称为相关临界区。当一个进程在相关临界区执行时，如果不让另一个进程进入相关的临界区执行，就不会形成多个进程对相同的共享变量交叉访问，于是就可避免出现与时间有关的错误。只要涉及相同变量的若干进程的相关临界区互斥执行，就不会造成与时间有关的错误。
系统对相关临界区的调度使用原则如下：
① 当临界区为空时，若有一个进程要求进入临界区，应允许它立即进入临界区——有空让进；
② 若有一个进程已在临界区时，其他要求进入临界区的进程必须等待——无空等待；
③ 当没有进程在临界区，而同时有多个进程要求进入临界区，只能让其中之一进入临界区，其他进程必须等待——多中择一；
④ 任一进程进入临界区的要求应在有限时间满足——有限等待；
⑤ 处于等待状态的进程应放弃占用处理器——让权等待。
三、信号量及PV操作以及经典的进程同步问题
可参考一：进程同步之信号量机制（pv操作）及三个经典同步问题
可参考二：使用Java来示例PV操作
四、管程
可参考：管程机制浅析
五、进程通信
解决进程之间大量信息通信的问题有三种方案：共享内存、消息机制以及通过共享文件进行通信，即管道通信。
1、共享内存
它是在相互通信的进程之间设一个公共内存区，一组进程向该公共内存中写，另一组进程从公共内存中读，通过这种方式实现两组进程间的信息交换。
2、消息机制
它是进程通过某种手段发出自己的消息或接收其他进程发来的消息。
(1) 消息缓冲通信
它是根据“生产者——消费者”的原理，利用内存中公共消息缓冲区实现进程之间的信息交换。
内存中开辟了若干消息缓冲区，用以存储消息。每当一个进程向另一个进程发送消息时，便申请一个消息缓冲区，并把已准备好的消息送到缓冲区，然后把该消息缓冲区插入到接收进程的消息队列中，最后通知接收进程。接收进程收到发送进程发来的通知后，从本进程的消息队列中摘下一消息缓冲区，取出所需要的信息，然后把消息缓冲区还给系统。
消息缓冲区通信机制包含以下内容：
① 消息缓冲区，它是由消息长度、消息正文、发送者、消息队列指针组成的数据结构；
② 消息队列首指针m_q，一般保存在PCB中；
③ 互斥信号量m_mutex，初始值为1，在PCB中设置；
④ 同步信号量m_syn，初始值为0，用于消息计数，在PCB中设置；
⑤ 发送消息原语；
⑥ 接收消息原语。
(2) 信箱通信
当一个进程希望与另一个进程通信时，就创建一个链接两个进程的信箱，发送进程把信件投入信箱，而接收进程可以在任何时刻取走信件。
一个信箱可以由“信箱说明”和“信箱体”两部分组成。
信箱说明一般有以下数据结构：
① 可存信件数，表明信箱的容量大小；
② 已有信件数，指出信箱中已有的信件数量；
③ 可存信件的指针，指示当前可存入一封信的位置，初始值指向第一封信的位置。
3、管道通信
管道就是连接两个进程之间的一个打开的共享文件，专用于进程之间进行数据通信。发送进程可以源源不断地从管道一端写入数据流，每次写入的信息长度是可变的；接收进程在需要时可以从管道的另一端读出数据，读出单位长度也是可变的。管道通信的基础是文件系统。