9、同步互斥机制2（进程并发执行）（操作系统笔记）

三、进程同步

是指系统中多个进程发生的事件存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务。具体地说，一个进程运行到某一点时，要求另一伙伴进程为它提供消息，在未获得消息之前，该进程进入阻塞态，获得消息后被唤醒进入就绪状态。

3.1 生产者/消费者问题

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说明：使用这种方式可以很好解决进程间协作的问题。但是在判断 count和后面的执行语句之前，虽然我们看到只有两行代码，但是这涉及到很多指令，有可能在指令之间发生切换，所以并没有完全解决生产者/消费者问题。

3.2 其他同步例子

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说明：在这里的输入井和输出井两端都是一个生产者/消费者的问题。

3.3 信号量及PV操作

• 一个特殊的变量
• 用于进程间传递信息的一个整数值
• 定义如下

struct semaphore
{
    int count ;//信号量的值
    queueType queue;//队列
}

• 信号量说明：semaphore s;
• 对信号量可以实施的操作：初始化、P和V（P、V分别是荷兰语的test(proberen)和increment(verhogen)）
  
  

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  说明：调用P操作，则首先将信号量减一，如果其值小于零，则标明该进程为阻塞态，放到队列末尾，即让出cpu。
• P、V操作为原子操作
• 在信号量上定义了三个操作
  初始化（非负数）、P操作、V操作
• 最初提出的是二元信号量（解决互斥）。之后，推广到一般信号量（多指）或计数信号量（解决同步）。

3.4 用PV操作解决进程间互斥问题

• 分析并发进程的关键活动，划定临界区
• 设置信号量mutex，初值为1
• 在临界区前实施P(mutex)
• 在临界区之后实施V(mutex)

3.5 用信号量解决生产者/消费者问题

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说明：这里 empty变量表示缓冲区还有多少个位置是空的， full表示缓冲区中被占用的个数。在生产和消费之前都需要进行判断。讨论：

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这里如果我们将消费者中的两个 P操作颠倒顺序，如果消费者首先上 cpu，于是首先将 mutex减一变为零，然后执行 P(&full)，而此时队列中是没有内容（产品）的，于是进入等待（阻塞），而此时如果被切换下 cpu，而生产者上 cpu，于是进行生产，但是在执行 P(&mutex)后 mutex值小于零了，于是也进入阻塞，这时出现了死锁问题。但是后面的两个 V操作是可以颠倒的，但是这种情况下是临界区最小的情况。

3.6 用信号量解决读者/写者问题

问题描述
多个进程共享一个数据区，这些进程分成两组：

• 读者进程：只读数据区中的数据
• 写者进程：只往数据区写数据

要求满足条件

• 允许多个读者同时执行读操作
• 不允许多个写者同时操作
• 不允许读者、写者同时操作

3.6.1 第一类读者写者问题：读者优先

• 如果读者执行

  • 无其他读者、写者，该读者可以读
  • 若已有写者等，但有其他读者正在读，则该读者也可以读
  • 若有写者正在写，该读者必须等

• 如果写者执行

  • 无其他读者、写者，该写者可以写
  • 若有读者正在读，该写者等待
  • 若有其他写者正在写，该写者等待

• 解法
  

  

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  说明：这个问题其实我们需要的是多个读者可以同时读的问题，所有对于读者，是不需要每个读者都做P(w)的，而只需要第一个读者来做，而后续的读者只要发现前面有读者在读，则就可以读。同时最后一个读者做V(w)。代码改为：
  
  

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  这里我们对读者计数。这虽然解决了多个读者同时读的问题，但是引出了另一个问题，就是rc变成了一个共享资源，所以我们还需要对rc进行保护，于是针对rc增加了P、V操作。

3.6.2 Linux提供的读写锁

• 应用场景
  如果每个执行实体对临界区的访问或者是读或者是写共享变量，但是它们都不会既读又写，读写锁是最好的选择。
• 实例：Linux的IPX路由代码中使用了读写锁，用ipx_routes_lock的读写锁保护IPX路由表的并发访问。要通过查找路由表实现包转发的程序需要请求读写锁；需要添加和删除路由表中入口的程序必须获得读写锁（由于通过读路由表的情况比更新的情况多得多，使用读写锁极大的提高了性能）。