操作系统（8）进程--同步互斥介绍；同步问题的三种解决方案：禁用硬件中断、基于软件、更高级抽象

1. 背景

同步互斥是操作系统协调进程之间动作和相互关系中的机制。互斥是指当一个进程在临界区访问共享资源时，其他进程不能进入该临界区访问任何共享资源。为实施互斥，进程之间就要采用同步机制。

1. 并发进程的正确性
   
2. 进程并发运行的好处

   共享资源
加速:I/O操作和CPU计算可以重叠，程序可分为多个模块在多个处理器上并行执行
   模块化:将大程序分解成小程序，使系统易于复用和扩展。

3. 原子性操作
   原子性操作时操作系统硬件提供的操作，它保证一些执行语句必须是原子操作。
   

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2. 同步问题的一个例子

本节用一个简单的生活问题来理解同步。（具体分析过程详见视频：同步问题）

1. 下图中，如果A和B的按照图中的顺序执行的话，就会出现面包重复购买的情况
   
   首先来分析下这个问题：
   

2. 解决方案
   利用两个原子操作来实现一个锁（lock）

   Lock.Acquire():在锁被释放之前一直等待，然后获得锁，如果两个进程都在等待同一个锁，并且同时发现锁被释放了，那么只有一个获得锁，另一个仍处于等待
   Lock.Release():解锁并唤醒任何等待中的进程

   

3. 进程的交互关系
   

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3. 同步问题的初步解决方案

临界区：进程中访问临界资源的一段需要互斥执行的代码（也就是说有一个进程在访问临界区代码，另一个进程就不能访问该代码）
进入区：检查可否进入临界区的一段代码，如可进入，则设置相应“正在访问临界区”标志‘
退出区：清楚“正在访问临界区标志”
剩余区：代码的其余部分
临界区访问规则
空闲则如：没有进程在临界区，则任何进程可以进入
忙则等待：有进程在临界区，其他进程均不能进入临界区
有限等待：等待进入临界区的进程不能无限制等待
让权等待（可选）：不能进入临界区的进程，应释放CPU(比如转换到阻塞状态)

1. 方法一 禁用硬件中断

也就是禁止硬件中断的响应，相当于把中断使能关掉了。

2. 方法二 基于软件的同步办法

该方法就是通过进程共享一些共有变量来实现线程的同步。该方法的特征一是复杂（需要两个进程间的共享数据项），二是需要忙等待，浪费CPU时间。

1. 示例
   

2. Peterson算法
   

   第一种情况：另外一个进程Tj没有申请进入，则此时flag[j]为false，Ti可以正常进入临界区
   第二种情乱：Tj申请进入，flag[j]为true，则先写turn语句的会进入临界区。比如说是Ti先写turn=j，则此时Ti 进不去（while两个条件都满足，会一直循环），然后Tj写turn（turn=i）后，Ti就会立马进去了，Ti运行完临界区代码后，flag[i]=false，则Tj就可以进去了。

   

3. Dekkers算法
   
   

3. 方法三 更高级的抽象方法

硬件提供了一些同步原语，比方说中断禁用、原子操作指令等，操作系统提供了更高级的编程抽象来简化进程的同步，比方说锁、信号量（这两个都是用硬件原语来构建的）

1. 锁
   锁是一个抽象的数据结构，它由一个二进制变量（锁定/解锁）和两个操作原语组成。它是基于原子操作指令来实现的

   Lock.Acquire():在锁被释放之前一直等待，然后获得锁，如果两个进程都在等待同一个锁，并且同时发现锁被释放了，那么只有一个获得锁，另一个仍处于等待
   Lock.Release():解锁并唤醒任何等待中的进程

2. 原子操作指令
   CPU体系结构中提供了一些特殊的原子操作指令，这些指令把若干个操作合成一个原子操作，保证这些操作之间不会部分执行的状态。

   • TS指令
     
   • 交换指令（交换内存中的两个值）
     

3. 使用TS指令实现自旋锁
   
   

4. 原子操作指令锁的特征
   

5. 同步方法总结