操作系统笔记:(八)进程同步

有关进程同步的问题，我主要分3节来表述，第一节就是本节主要讲一些底层的同步方法: 禁用中断，软件方法，锁机制。第二节即下一节主要是讲信号量机制，第三节主要讲管程机制

本节内容组织如下:

• 同步互斥的背景
• 同步互斥的解决方案，禁用中断，软件方法，锁机制

同步互斥的背景

如果程序之间是独立的，没有并发的，那么肯定不会出现同步互斥问题。由于引入了操作系统对进程的调度，特别是中断机制允许在任何时候发生中断切换到下一个进程执行，这就会发生进程同步问题。比如下面的一个例子:

fork():创建新的进程的时候会将新进程的id赋值为next_id++,即有下面一条语句:

new_id = next_pid++

而这条语句并不是原子操作，转化成汇编指令如下:

load next_pid reg1
store reg1 new_pid
INC reg1
store reg1 next_pid

由于中断发生的任意性没人知道会在什么时候发生，在一种情况下如果在第二条指令后插入一个新进程，同时执行这段代码，那么就会发生同步错误，如下图所示:

同样的例子可以在生活中找到，这里就不在举例了。

临界区：

OS中将进程访问资源的互斥代码称为临界区(同一时刻仅仅允许一个一个进程进入)
对于临界区我们希望做到以下几点访问规则:

• 空闲则入(没进程访问的时候任何进程都能访问)
• 忙则等待 (有进程访问的时候当前必须等待)
• 有限等待 (等待的进程应该可以进入，不能发生饥饿)
• 让权等待 (等待的进程应该释放掉CPU)

接下来我们说一说，关于临界区保护的一些机制：

• 禁用中断
• 软件同步方法
• 原子操作-锁机制

禁用中断

这是一种最简单的硬件同步方法，也就是硬件提供了两条指令:

• cli : 关中断
• sti：开中断

这个可以说是从源头上解决了进程同步问题，不过也会出现一些其他问题:

• 进程无法被抢占
• 可能导致其他进程饥饿
• 无法确定响应中断所需的时间，无法适应应用层临界区很长的情况。

软件同步方法

这个是相当复杂的一种方法，现代OS已经不再使用，不过他提供了一种基于软件同步的解决方案，这里我们简要介绍一下 Peterson 算法

turn变量的值决定了谁能进入临界区，前两条指令执行后，turn值总会变成 i or j , （假设两个进程同时访问这段代码）那么这是的while代码不会将两个进程都”悬挂”在这里。这时 flag 均为ture，而turn 总是仅能为其中一个所以总有一个能进入。满足”空闲则入”和”互斥进入”,而且 在其中一个进程，不妨设为 Pj 进入临界区后，会将flag[j]设为false，这时 Pi 就能进入了，也即满足 “空闲则入”

缺点

这种算法最大的问题是复杂，想想你是应用程序员，你去写这段代码来实现临界区保护，是不是很可怕，更别说多个进程的情况了。2）第二个问题是忙等,进程等待的时候在空转。

接下来我们来说一下基于硬件同步的第二种机制-锁

高级抽象方法-锁

原子操作指令

现代CPU体系结构都会提供一些特殊的原子操作指令（就是在硬件层实现的一条指令的操作?）
如 TS 和Exchange

测试并置1

bool TestAndSet(bool *tar ){
    bool rv = *tar;
    *tar = true;
    return rv;
}

Exchange

void Exchange(bool *a,bool *b){
    bool tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

用这两条指令我们就可以显现高层抽像-锁

原子锁

自旋锁

这种说顾名思义，如果锁被占用，访问锁的进程将会忙等。

无忙等锁

这种锁的进步就是加一个等待队列，将无法获得锁的进程加入等待队列。

优点：

• 实现简单，任意多个进程都容易处理
• 很容易扩展到多处理器

缺点：

• 可能导致饥饿？
• 忙等锁占用空耗CPU
• 死锁(低优先级进程占有锁等待CPU，高优先级进程占有CPU等待锁)