操作系统学习笔记（二十）：临界区与锁

       多进程并发运行，导致多个进程间有资源共享，比如CPU、内存，因此存在不确定性和不可重现，可能导致多次运行结果不一致。因此操作系统需要利用同步机制在并发执行的同时，保证一些操作是原子操作。

       互斥是指一个进程占用了某个资源，其他进程都不能使用该资源；死锁是指多个进程各占有了一部分资源，形成了循环等待；饥饿是指其他进程轮流占用资源，一个进程一直得不到资源。

临界区

       为解决进程间同步导致的这些问题，提出了一些方案。临界区是指进程中访问临界资源的一段需要互斥执行的代码。进入临界区之前需要判断能否进入，进入时需要改变标志阻止其他进程进入，进入的进程执行完成后退出时修改标志。临界区访问规则：空闲则入，没有进程进入时可以进城；忙则等待，有进程在临界区时其他进程均不可进入；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，不能进入的进程应释放CPU进入阻塞状态。

       临界区实现方式：一，禁用中断，进入临界区后不响应中端；二，软件方式，共享变量协调；三，借用操作系统提供高级的抽象方法。显然第三种方式是可取的，其他两种都有明显的缺陷。下面对第三种方式进行介绍。

       更高级的抽象方法实际是借助硬件的同步原语来实现的。硬件提供了一些同步原语，包括中断禁用、原子操作指令等，从硬件上保证多个操作的原子性。实现方式有锁、信号量。

锁

       锁是一个抽象的数据结构，由一个二进制变量（锁定/解锁）和两个操作原语（锁的请求和锁的释放）组成。二进制变量用于标志锁的状态，锁的请求使锁在被释放前一直等待，并且使进程得到锁，这两者是原子的，释放锁时唤醒其他等待锁的进程。内部基于CPU体系结构提供的一些特殊的原子操作指令，这些指令把若干个指令合并为一次原子操作，保证不会出现部分执行的状态。这些原子操作指令包括测试和置位指令（Test-and-Set，即TS指令，返回内存地址中的值，并将其置为1）、交换指令（交换内存中的两个值）。

       基于TS指令可以实现如下图所示的自旋锁，自旋锁的缺点是线程等待时消耗CPU时间。

       针对自旋锁的问题，出现了无忙等待锁，当锁已经被占用时，将自身线程放入等待队列，并调用调度程序。当其他线程释放锁时会将所有等待中的线程重新唤醒。