【操作系统/OS笔记11】并发执行的必要性，产生的问题，原子操作，为什么引入锁机制，面包购买的类比

本次笔记内容：
9.1 背景知识
9.2 一些概念part1
9.3 一些概念part2
9.4 一些概念part3

同步互斥的背景

到目前为止学习了：

• 多道程序设计（multi-programming）：现代操作系统的重要特性；
• 并行很有用，因为：
• • 多个并发实体：CPU(s)，I/O，…，用户，…
• 进程/线程：操作系统抽象出来用于支付多道程序设计；
• CPU调度：实现多道程序设计的机制；
• 调度算法：不同的策略。

将要学习：

• 协同多道程序设计和并发问题。

进程间不独立存在风险

独立的线程：

• 不和其他线程共享资源或状态；
• 确定性：输入状态决定结果；
• 可重现：能够重视启示条件，I/O；
• 调度顺序不重要。

合并线程：

• 在多个线程中共享状态；
• 不确定性；
• 不可重现。

不确定性和不可重现意味着bug可能是间歇性发生的。

进程间为什么合作？

进程/线程，计算机/设备需要合作。

• 优点1：共享资源
• • 一台电脑，多个用户；
• • 一个银行存款余额，多台ATM机；
• • 嵌入式系统（机器人控制，手臂和手的协调）。
• 优点2：加速
• • I/O操作和计算可以重叠；
• • 多处理器：将程序分成多个部分并执行。
• 优点3：模块化
• • 将大程序分解成小程序：以编译为例，gcc会调用cpp，cc1，cc2，as，Id；
• • 使系统易于扩展。

例：并发执行产生问题

• 程序可以调用函数fork()来创建一个新的进程
• • 操作系统需要分配一个新的并且唯一的进程ID；
• • 因此在内核中，这个系统调用会运行

new_pid = next_pid++;
// next_pid为共享的全局变量，赋id用

• • 将上述类c语言翻译成机器指令

LOAD next_pid Reg1   // 将new_next值赋给寄存器1
STORE Reg1 new_pid   // 将寄存器1值存到new_pid
INC Reg1             // 寄存器1值加一
STORE Reg1 next_pid  // 将寄存器1值存到next_pid

假设两个进程并发执行：

• 如果next_pid 等于100，那么其中一个进程得到的ID应该是100，另一个进程的ID应该是101，next_pid应该增加到102。

但是，并发进程存在如下图的问题。

进程1执行一半，发生了上下文切换。

最终进程1、进程2的PID都是100。可能在任何语句间产生上下文切换，导致结果出现不确定性并不可重复。

因此希望：

• 无论多个线程的指令序列怎样交替执行，程序都必须正常工作：
• • 多线程程序具有不确定性和不可重现的特点；
• • 不经过专门设计，调试难度很高；
• 不确定性要求并行程序的正确性：
• • 先思考清楚问题，把程序的行为设计清楚；
• • 切忌急于着手编写代码，碰到问题再调试。

Race Condition（竞态条件）

系统缺陷：结果依赖于并发执行或者事件的顺序/时间。

• 不确定性
• 不可重现

怎样避免竞态？

• 让指令不被打断

Atomic Operation（原子操作）

原子操作是指一次不存在任何中断或者失败的执行。

• 该执行成功结束；
• 或者根本没有执行；
• 并且不应该发现任何部分执行的状态。

实际上操作往往不是原子的。

• 有些看上去是原子操作，实际上不是；
• 连x++这样的简单语句，实际上是由3种指令构成的；
• 有时候甚至连单条机器指令都不是原子的
• • Pipeline, super-scalar, out-of-order, page fault

内存读取是原子的，但未必结果确定

如上图，在c语言层次上，保证原子操作，但是在程序设计上出现了问题。

由此引出相关基本概念

Critical section（临界区）

临界区是指进程中一段需要访问共享资源，并且当另一个进程处于相应代码区域时，便不会被执行的代码区域。

Mutual exclusion（互斥）

当一个进程处于临界区并访问共享资源时，没有其他进程会处于临界区并且访问任何相同的共同资源。

Dead lock（死锁）

两个或以上的进程，在相互等待完成特定任务，而最终没法将自身任务进行下去。

Starvation（饥饿）

一个可执行的进程，被调度器持续忽略，以至于虽然处于可执行状态却不被执行。

操作系统调度的生活类比（购买面包）

如上图，出现了两次“买面包”的操作。

什么是“面包太多”问题的正确性质？

• 最多有一个人去买面包；
• 如果需要，有人回去买面包。

在冰箱上设置一个锁和钥匙（lock&key）

• 去买面包之前锁住冰箱并且拿走钥匙；
• 修复了“太多”的问题：要是有人想要果汁怎么办？
• 可以改变“锁（lock）”的含义；
• “锁（lock）”包含“等待（waiting）”。

Lock（锁）

在门、抽屉等物体上加上保护性装置，使得外人无法访问物体内的东西，只能等待解锁后才能访问。

Unlock（解锁）

打开保护性装置，使得可以访问之前被保护的物体类的东西。

Deadlock（死锁）

A拿到锁1，B拿到锁2，A想继续拿到锁2后再继续执行，B想继续拿到锁1后再继续执行。导致A和B谁也无法继续执行。

解决面包购买办法

如上图，增加一种“标签”，当成一种“锁”，但是依然会产生问题。

执行顺序如上图，简单实用note机制无法解决问题，甚至会使问题更糟。

为便签加标签怎么样？表示一下谁放的标签，如下图。

但是如上图，有可能出现谁都不去买面包的情况。

可以提出如上的机制，保证程序的正常执行。

还有更好的解决方案么

之前方案获得的启示

上述方法太复杂，A、B代码不同，A等待时实际在消耗CPU的时间（叫做“忙等待busy-waiting”）。

上述方案为每个线程保护了一段“临界区（critical-section）”，代码为

if (nobread) {
	buy bread;
}

如果有一个进程已经处于临界区，则其他进程不能进入临界区。互斥就是确保一个进程在临界区。

假设我们有一些锁的实现

• Lock.Acquire() 在锁被释放前一直等待，然后获得锁；
• Lock.Release() 解锁并唤醒任何等待中的进程；
• 这些一定是原子操作：如果两个线程都在等待同一个锁，并且同时发现硕被释放了，那么只有一个能够获得锁。
• 由此，面包问题得到解决：

breadlock.Acquire();  // 进入临界区
if (nobread) {
	buy bread;
}
breadlock.Release();  // 退出临界区