操作系统（3）进程管理（中）数据一致性
目录
3.1.概述
3.2.临界
3.3.锁
3.4.进程间的关系
3.4.1.同步、互斥
3.4.2.P-V操作
3.4.3.生产者、消费者问题
3.1.概述
数据不一致问题：
程序的并发执行会造成数据一致问题：
假设程序A去内存中读取了一个数据i，将这个数据改为i=100，在程序A的打印语句执行之前，程序B去读取了i并将这个数据改为了i=200，那么就会出现程序A期望打印的时候数据i是100，但实际上打印出来是1=200。这就是程序并发，造作内存中的共享变量带来的数据不一致的问题。
为了解决这个问题提出了临界资源、临界区的概念。
3.2.临界
临界资源：一次只允许一个进程单独访问（使用）的资源。临界区：进程中访问临界资源的程序片段。
临界区是一种理念，本质上是为保证并发环境下数据一致性，其核心思想为：
将各进程数据操作部分做成“封闭模块”。这些“封闭模块”具有原子性，在各程序执行时同一时间内，所有“封闭模块”中只能一个有正在被执行，也就是说“封闭模块”只能被串行执行，不能并行执行。这些“封闭模块”称为临界区。临界区中需要的资源称为“临界资源”，如此处的i。
3.3.锁
临界区是一种用于保证数据一致性的理念，锁时这个理念的具体实现。
具体实现为：
为临界资源设置一个标志位，进入临界区前检查此标志位。若“可用”则访问临界区且将此标志位修改为“不可用”，退出临界区后将此标志位修改为“可用”；若“不可用”则等待。
3.4.进程间的关系
3.4.1.同步、互斥
进程间的关系有两种：
-
互斥
-
同步
互斥：
多进程共享了具有独占性的资源，必须协调各进程对资源的存取顺序，确保没有任何两个或者两个以上的进程同时进行存取操作。说白了，资源，即临界资源，对资源的存取，即访问临界区，互斥关系可以用锁来实现。
同步：
完成一个任务，需要多个进程相互合作，一个进程开始某个操作之前，需要另一个进程完成操作，否则该进程只能等待。互斥关系属于特殊的同步。比如进程B需要进程A的运算结果，在A的运算结果出来之前，B一直会处于等待状态。
此处以一个经典的司机与售票员问题为例，来方便理解同步关系：
司机的操作：起步、行驶、停车
售票员的操作：关门、售票、开门
司机和售票员之间存在的同步关系：
-
司机起步钱售票员先关门，否则司机等待。
-
售票员开门前司机先停车，否则售票员等待。
3.4.2.P-V操作
什么是PV操作：
P-V操作用于阻塞、唤醒进程。主要实现依赖于信号灯机制。信号灯机制，为每组进程设置一个状态标志(也就是说对于一组需要相同资源的进程来说，这个标志是全局变量）信号灯的状态可以控制进程，进程也可以改变信号灯状态。
信号灯的数据结构：
-
信号灯定义为一个二元矢量（S,q）
-
S:整数，初值非负。
-
q:PCB队列，初值为空。
用伪代码描述即为：
struct SEMAPHORE
{
int S;//整数，初始值为非负数
pointer_PCB;//队列，存放进程的PCB指针，初始值为空
}对信号灯的操作有两种：
- P操作，又称P（S，q）或者简称为P（S）
- V操作，又称V（S，q）或者简称为V（S）
P操作：
用于阻塞进程，具体的操作为：
S值减1，若结果大于等于0，该进程继续；若结果小于0，该进程阻塞并加入到队列q中。
用伪代码描述就是：
P(S,q)
{
S=S-1;
if(S<0){
Block()//阻塞
Insert()//入队
}
}V操作:
用于唤醒进程，具体操作为：
S值加1，若结果大于0，则该进程继续；若和小于0，该进程继续并且从q中唤醒一个进程。
用伪代码描述就是：
V(S,q)
{
S=S-1;
if(S<0)
{
Remove()//从队列中移除一个进程出队列
WakeUp()//唤醒出队进程
}
}用PV操作实现互斥：
假设三个进程想访问临界资源：
首先设置信号量i=1，
Pa想要进入临界区，进入前，执行P操作，信号量-1，将信号量变为0，满足判断条件，进入临界区。
Pb在Pa未离开临界区时段内想访问临界区，执行P操作，信号量-1，将信号量变为-1，被阻塞。
Pc在Pa未离开临界区时段内想访问临界区，执行P操作，信号量-1，将信号量变为-2，被阻塞。
Pa在离开临界区以后，执行V操作，信号量+1，将信号量变为-1，去唤醒阻塞队列中的一个进程。
因为阻塞队列是队列的数据结构，所以一般唤醒的会是先入队列的一个进程，会唤醒Pb。
Pb进入临界区，从临界区出来后执行V操作，信号量由-1变为0，去唤醒阻塞队列中的一个进程，Pc被唤醒，进入临界区，从临界区离开后执行V操作，信号量+1，变为1。
整个流程完成，信号量回到初始值1。
可以看到通过PV操作可以很好的控制进行的执行顺序，保证了进程之间的互斥，也能很好的保证数据的一致性。
3.4.3.生产者、消费者问题
生产者、消费者问题属于经典的同步问题，类似的经典同步问题还有诸如读者写者问题、哲学家问题等，此类问题都旨在用同步和互斥操作来保证场景的有序运行。此处以生产者、消费者问题为例，其余的经典同步问题的解题方法是类似的。
假设有m个生产者向缓冲区生产数据，k个消费者去缓冲区中消费数据，那么可能出现以下问题：
- m个生产者，生产太快，缓冲区中老数据还没来得及被消费者消费处理就被新来的数据覆盖.
- k个消费者，消费太快，消费者读取缓冲区中数据时，新数据还没有覆盖老数据，造成老数据被重复处理。
为了避免上面的情况做出以下规定：
- 不能向满缓冲区存数据
- 不能从空缓冲区取数据
- 单个生产者或消费者，每次只能允许消费或生产一个数据。
- 除此以上三点以外，缓冲区还应该是个临界区，以保证数据的一致性。
将上面的逻辑总结抽象一下就是：
- 缓冲区满的时候阻塞生产者进程
- 缓冲区空的时候阻塞消费者进程
- 除以上情况外，生产者、消费者正常生产消费
P-V操作来实现生产者消费者问题的伪代码：
int dataCount=0;//缓冲区中数据的个数
int indexCount=5;//缓冲区中空位的个数
int i=1;缓冲区的互斥标志位
//生产者
producer_i(){//i=1......m
while(true){
生产一个数据
p(dataCount);
p(i);
存一个数据到缓冲区
V(i);
V(dataCount);
}
}
//消费者
consumer_j(){//j=1......j
while(true){
P(dataCount);
P(i);
从缓冲区读取一个数据
V(i);
V(dataCount);;
}
}