操作系统（四）进程同步与进程互斥及相关问题解决
操作系统笔记
进程同步与进程互斥
什么是进程同步
进程具有异步性的特征。异步性是指，各并发执行的进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进。
同步亦称直接制约关系，指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而产生的制约关系。进程间的直接制约关系就是来源于它们之间的相互合作。
什么是进程互斥
对临界资源的访问，必须互斥地进行。互斥，亦称间接制约关系。进程互斥指当一个进程访问某临界资源时，另一个想要访问该临界资源的进程必须等待。当前访问临界资源的进程访问结束，释放该资源之后，另一个进程才能去访问临界资源。
为了实现对临界资源的互斥访问，同时保证系统整体性能，需要遵循以下原则:
- 空闲让进。临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区;
- 忙则等待。当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待;
- 有限等待。对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区（保证不会饥饿)
- 让权等待。当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机，防止进程忙等待。
小结
进程互斥的软件实现方法
单标志法
算法思想：两个进程在访问完临界区后会把使用临界区的权限转交给另外一个进程。也就是说每个进程进入临界区的权限只能由另一个进程赋予。
模拟代码：
缺点：
如果p0进程用了资源之后，又想再次使用，而p1进程此时还未使用资源，这样即使资源空闲也不允许p0进程使用
- 各个进程只能轮流访问
- 违反了“空闲让进”原则
双标志先检查
算法思想：设置一个布尔型数组flag[]，数组中各个元素用来标记各进程想进入临界区的意愿，比如flag[0]=true代表0号进程现在想要进入临界区。每个进程在进入临界区之前先检查当前有没有别的进程想进入临界区，如果没有，则把自身对应的标志位flag[i]设为true，之后开始访问临界区。
模拟代码：
分析：
由于进入区的执行的两个操作不是一气呵成的，如果按照1526…的顺序执行，p0进程和p1进程将会同时访问临界区。
- 违反了”忙则等待“的原则
双标志后检查
算法思想：由于双标志先检查法先检查与上锁的操作无法一气呵成，从而会导致两个进程同时访问临界区的问题。人们又想到了先“上锁”后“检查”的方法，来避免上述问题。
模拟代码：
分析：
若按照1526…的顺序执行，p0进程和p1进程都将无法进入临界区。
- 违反了空闲让进和有限等待的原则
- 会因各进程长期无法访问临界资源而产生饥饿现象
Peterson算法
算法思想：结合单标志法，双标志法的思想。如果双方都争着想进入临界区，就让进程”谦让“（通过共享变量turn）。
模拟代码：
注意turn的值是谁最后设置的！
分析：
Peterson算法用软件方法解决了进程互斥问题，遵循了空闲让进，忙则等待，有限等待三个原则
- 未遵循让权等待的原则（如果p0进程无法进入临界区，它依旧会循环等待下去，直到时间片用完）
小结
进程互斥的硬件实现方法
中断屏蔽方法
思想：利用“开/关中断指令实现”（与原语的实现思想相同，即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，也就不能发生进程切换，也就不可能发生两个进程同时访问临界区的情况）
方法：
分析：
开关中断指令只运行在内核态，而且一个处理机关中断后只能阻止该处理机其他进程对该资源的访问，并不能组织其他处理机进程对该资源的访问。
优点：
- 简单、高效
缺点：
- 只适用于内核进程
- 不适用多处理机
TestAndSet指令
简称TS指令，有些地方也称TSL(TestAndSetLock)指令
TSL指令是用硬件实现的，执行过程不允许被中断，只能一气呵成。以下是用C语言描绘出的逻辑：
分析：
相比软件实现方法，TSL指令把“上锁”和“检查”操作用硬件的方式变成了一气呵成的原子操作。
优点:
- 实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞
- 适用于多处理机环境
缺点：
- 不满足让权等待原则
Swap指令
有的地方也叫Exchange指令，或简称XCHG指令。
Swap指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。以下是用c语言描述的逻辑：
小结
信号量机制
用户进程可以通过使用操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作，从而很方便的实现了进程互斥、进程同步。
信号量其实就是一个变量（可以是一个整数，也可以是更复杂的记录型变量)，可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量。
原语是一种特殊的程序段，其执行只能一气呵成，不可被中断。原语是由关中断/开中断指令实现的。
软件解决方案（如双标志先检查法）的主要问题是由“进入区的各种操作无法一气呵成”，因此如果能把进入区、退出区的操作都用“原语”实现，使这些操作能“一气呵成”就能避免问题。
一对原语: wait(S)原语和 signal(S)原语，可以把原语理解为我们自己写的函数，函数名分别为wait和 signal，括号里的信号量s其实就是函数调用时传入的一个参数。
wait、signal原语常简称为P、v操作（来自荷兰语proberen和 verhogen）。因此，做题的时候常把wait(S)、signal(S)两个操作分别写为P(S)、v(S)
整型信号量
用一个整数型的变量作为信号量，来表示系统中某种资源的数量。
与普通整数变量的区别:对信号量的操作只有三种, 即初始化、P操作、V操作
优点：
- 避免了并发、异步导致的问题
缺点：
- 违反了让权等待原则
记录型信号量
整型信号量的缺陷是存在“忙等”问题，因此人们又提出了“记录型信号量”，即用记录型数据结构表示的信号量。
对信号量s的一次Р操作意味着进程请求一个单位的该类资源，因此需要执行S.value–，表示资源数减1，当S.value<0时表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用block原语进行自我阻塞（当前运行的进程从运行态→阻塞态)），主动放弃处理机，并插入该类资源的等待队列s.L中。
对信号量s的一次V操作意味着进程释放一个单位的该类资源，因此需要执行S.value++，表示资源数加1，若加1后仍是S.value <= o，表示依然有进程在等待该类资源，因此应调用wakeup原语唤醒等待队列中的第一个进程（被唤醒进程从阻塞态→就绪态）。
优点：
- 遵循了“让权等待”原则，不会出现“忙等”现象（如果发现没有资源，进程会自我阻塞，主动放弃处理机）。
小结
用信号量实现进程互斥、同步、前驱关系
实现进程互斥
实现进程同步
进程同步：让各并发进程按要求有序推进
实现前驱关系
小结
生产者-消费者问题
问题描述：
系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。（这里的“产品”理解为某种数据)。生产者和消费者共享一个初始为空，大小为n的缓冲区。
分析：
- 只有缓冲区没满时，生产者才可以生产----------->同步(full)
- 只有缓冲区不空时，消费者才可以消费----------->同步(empty)
- 缓冲区是临界资源，必须互斥访问----------------->异步(mutex)
解决：
semaphore full = 0 //同步信号量，表示产品的数量，即非空缓存区的数量
semaphore empty = n //同步信号量，表示空闲缓冲区的数量
semaphore mutex = 1 //异步信号量，实现对临界区的互斥访问
- 实现互斥是在同一个进程进行一对PV操作
- 实现同步实在其中一个进程执行P，另一个进程执行V
思考：能否改变相邻PV操作的顺序？
- 实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后
- V操作不会导致进程阻塞，顺序可以交换
小结
多生产者-多消费者问题
问题描述：
桌子上有一只盘子，每次只能向其中放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，儿子专等着吃盘子中的橘子，女儿专等着吃盘子中的苹果。只有盘子空时，爸爸或妈妈才可向盘子中放一个水果。仅当盘子中有自己需要的水果时，儿子或女儿可以从盘子中取出水果。用PV操作实现上述过程。
分析：
- 对盘子要互斥的访问------------>异步（mutex=1）
- 父亲把苹果放入盘子，女儿才能取-------------->同步（apple=0）
- 母亲把橘子放入盘子，儿子才能取-------------->同步（orange=0）
- 只有盘子为空，父亲或母亲才能放水果-------->同步（plate=1）
解决：
思考：本题即使不设置异步变量，也可以正确执行
原因是本题中各个变量最大值是1，假如缓冲区扩大为2，父亲、母亲生产者进程有可能访问同一块区域，使数据被覆盖，出现错误。
小结
吸烟者问题
问题描述：
假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者不停地卷烟并抽掉它，但是要卷起并抽掉一支烟，抽烟者需要有三种材料:烟草、纸和胶水。三个抽烟者中，第一个拥有烟草、第二个拥有纸、第三个拥有胶水。供应者进程无限地提供三种材料，供应者每次将两种材料放桌子上，拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它，并给供应者进程一个信号告诉完成了，供应者就会放另外两种材料再桌上，这个过程一直重复(让三个抽烟者轮流地抽烟)。
分析：
-
对桌子的访问要异步（可以不设置，原因上个问题已经解释过了）
-
桌子上有纸和胶水—>一号抽烟者取（同步）
-
桌子上有烟草和胶水—>二号抽烟者取（同步）
-
桌子上有烟草和纸------>三号抽烟者取（同步）
-
只有桌子上的东西被取走，供应者才可以继续放（同步）
解决：
由于各个变量的最大值为1，异步变量设置或不设置均可。
拓展：
假如供应者不是轮流提供材料的，而是随机提供材料，i就需要用随机数%3来实现。
读者写者问题
问题描述：
有读者和写者两组并发进程，共享一个文件，当两个或两个以上的读进程同时访问共享数据时不会产生副作用，但若某个写进程和其他进程（读进程或写进程）同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。
因此要求:①允许多个读者可以同时对文件执行读操作;②只允许一个写者往文件中写信息;③任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作;④写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。
解决：
错误考虑：
出现上述问题的原因在于对count变量的检查和赋值无法一气呵成，因此可以设置另一个互斥信号量来保证各读进程对count的访问是互斥的。
思考：
只要有读进程还在读，写进程就要一直阻塞等待，可能“饿死”。因此这种算法中，读进程是优先的。
优化：
小结：
哲学家进餐问题
问题描述：
一张圆桌上坐着5名哲学家，每两个哲学家之间的桌上摆一根筷子，桌子的中间是一碗米饭。哲学家们倾注毕生的精力用于思考和进餐，哲学家在思考时，并不影响他人。只有当哲学家饥饿时，才试图拿起左、右两根筷子（一根一根地拿起)。如果筷子已在他人手上，则需等待。饥饿的哲学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐，当进餐完毕后，放下筷子继续思考。
分析：
解决：
错误考虑：
解决死锁：
-
可以对哲学家进程施加一些限制条件，比如最多允许四个哲学家同时进餐。
这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的
-
要求奇数号哲学家先拿左边的筷子，然后再拿右边的筷子，而偶数号哲学家刚好相反。用这种方法可以保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭，那么只会有其中一个可以拿起第一只筷子，另一个会直接阻塞。这就避免了占有一支后再等待另一只的情况。
-
只有一个哲学家左右两支筷子都可用时才允许他抓起筷子。
小结：
哲学家进餐问题的关键在于解决进程死锁。
这些进程之间只存在互斥关系，但是与之前接触到的互斥关系不同的是，每个进程都需要同时持有两个临界资源，因此就有“死锁”问题的隐患。
管程
为什么要引入管程
信号量机制存在编写程序困难，易出错的问题
管程！-------> 高级同步机制
管程的定义和基本特征
管程是一种特殊的软件模块，由这些部分组成：
- 局部于管程的共享数据结构说明
- 对该数据结构进行操作的一组过程
- 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句
- 管程有一个名字
管程的基本特征
- 局部于管程的数据只能被局部于管程的过程所访问
- 一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程访问共享数据
- 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程
拓展1：用管程解决生产者消费者问题
拓展２：ｊａｖａ中类似管程的机制
