操作系统同步机制的实现

背景

多进程（线程）并发执行会出现进程间相互制约的情况发生，例如两个进程需要：

• 共享唯一的硬件设备
• 共享同一块内存区域
• 一个进程的运行依赖另一进程对共享资源的执行结果

如果多个进程间存在时序关系，需要协同工作以完成一项任务，则成为同步；如果不满足协同的条件，而知识因为共享具有排他性资源时所产生的关系称为互斥

1. 信号量

信号量和PV原语操作是有Dijkstra发明的，它是最为广泛的互斥方法之一：

• Semaphore S：信号量，表示共享资源的可用数量
• Operation P：P原语，用于减少S计数
• Operation V：V原语，用于增加S计数

信号量和PV操作原理：

1. 当进程想要进入共享区时，首先执行P操作，S-1
2. 当进程想要退出共享区时，执行V操作，S+1

3. 进程进出共享区的操作，是原子操作（执行过程不允许被中断）

   
   
   

   PV 原语

2. Mutex

Mutex是 Mutual Exclusion 简写，其释义有为互斥体

1. 如果一个资源有多个对象同时访问：称为Counting Semaphores，
2. 若只允许取值0或1（locked/unlocked）：称为Binary Semaphore，可以认为它与Mutex是相同的性质。Mutex是对于Binary Semaphore的一种简单实现方式

3. 管程 （Monitor）

管程是对Semaphore机制的延伸和改善，是一种更简单的同步手段

Semaphore 机制的缺陷：

程序的易读性相对较差，对于信号量的管理也分散在各个参与对象中，因此有可能引起死锁，进程饿死等问题

管程的定义

管程是可以被多个进程/线程安全访问的对象或模块
管程汇总的方法是受到Mutex保护的，意味着同一时刻只允许一个访问者来使用它们。

管程的特性

• 安全性
• 互斥性
• 共享性

很多流行的编程语言都实现了管程机制：如Java，Python，Delphi，Ruby，C#等

4. Linux Futex (Fast Userspace muTEXes)

Linux 中的同步机制，它在应用程序空间中就可以应对大多数同步场景。
判断是否开启了ART_USE_FUTEXES宏
Mutex的加锁逻辑：如果获取到锁，就直接返回，否则进入挂起的状态。

futex例子