进程互斥实现方法

前言

进程互斥：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。当前访问该临界资源的进程访问结束并释放该临界资源后，另一个进程才能进行访问。

do {
	entry_section; // 进入区，检查并上锁
	critical_section; // 临界区
	exit_section; // 退出区，解锁
	remainder_section; // 剩余区
} while (true)

为实现对临界资源的访问，同时保证系统的整体性能，需要遵循以下原则：

• 空闲让进：当临界区空闲，可以允许一个进程立即进入临界区
• 忙则等待：当有进程进入临界区，当前想要进入临界区的进程必须等待。
• 有限等待：一个进程必须在有限的时间内能够进入临界区（防止饥饿）。
• 让权等待：当一个进程在等待临界区资源时，应该立即释放处理机资源，防止忙等待。

1. 软件实现方法

1.1 单标志法

算法思想：两个进程在访问完临界区之后，会把访问权限赋给另一个进程。也就是说，访问临界区的权限只能由另一个进程赋予。

int turn = 0; // 表示当前运行进入临界区的进程号

// 进程 0
while(turn != 0);
critical_section;
turn = 1;
remainder_section;

// 进程 1
while(turn != 1);
critical_section;
turn = 0;
remainder_section;

问题：当进程1使用完临界区之后，假设进程0一直不适用临界区，那么进程1就始终无法再次进入临界区，违反了“空闲让进”原则。

1.2 双标志先检查法

算法思想：设置一个布尔型数组 flag[]，用于表示各个进程进入临界区的意愿。如果flag[0] = true则表示0号进程想要进入临界区。

bool flag[2];
flag[0] = false;
flag[1] = false;

// 进程 0
while(flag[1]); // 如果对方要进入临界区，则等待
flag[0] = true;
critical_section;
flag[0] = false;
remainder_section;

// 进程 1
while(flag[0]); // 如果对方要进入临界区，则等待
flag[1] = true;
critical_section;
flag[1] = false;
remainder_section;

主要问题：检查和上锁的操作无法一气呵成，如果发生进程切换，会违反忙则等待原则。

1.3 双标志后检查法

算法思想：先上锁，后检查，避免出现1.2的问题。

bool flag[2];
flag[0] = false;
flag[1] = false;

// 进程 0
flag[0] = true;
while(flag[1]); // 如果对方要进入临界区，则等待
critical_section;
flag[0] = false;
remainder_section;

// 进程 1
flag[1] = true;
while(flag[0]); // 如果对方要进入临界区，则等待
critical_section;
flag[1] = false;
remainder_section;

主要问题：如果进程上锁后立马发生进程切换，会造成死锁，违背了空闲让进和有限等待原则。

1.4 peterson算法

算法思想：结合单标志法、双标志法的思想，既设置各自使用临界区的意愿，又增加谦让标志。

bool flag[2];
flag[0] = false;
flag[1] = false;
turn = 0; // 表示谦让给进程0使用

// 进程 0
flag[0] = true; // 我想要使用临界区
turn = 1; // 谦让给进程1优先使用
while(flag[1] && turn == 1); // 如果对方要进入临界区，则等待
critical_section;
flag[0] = false;
remainder_section;

// 进程 1
flag[1] = true; // 我想要使用临界区
turn = 0; // 谦让给进程1优先使用
while(flag[0] && turn == 0); // 如果对方要进入临界区，则等待
critical_section;
flag[1] = false;
remainder_section;

主要问题：仍旧未遵循让权等待原则。

2. 硬件实现方法

2.1 关中断法

...
关中断指令; // 关中断之后不允许当前进程被中断，自然不会发生进程切换
critical_section;
开中断指令;
...

优点：简单、高效
缺点：不适用于多处理机环境，关中断指令仅对当前处理机有效；关中断指令为特权指令，只适用于内核程序。

2.2 TestAndSet

又称为TestAndSetLock，简称TS或TSL指令，由硬件实现，不可被中断。

bool lock = true; // 布尔型共享变量，表示临界资源是否被加锁

bool TestAndSet(bool *lock) {
	bool old;
	old = *lock;
	*lock = true;
	return old;
}

// 进程中：
while (TestAndSet(&lock));
critical_section;
lock = false;
remainder_section;

优点：实现简单；适用于多处理机环境。
缺点：不满足让权等待。

2.3 Swap指令

又称Exchange指令，或 XCHG.

// 交换两个变量的值
swap（bool *a, bool *b）{
	bool tmp = *a;
	*a = *b;
	*b = tmp;
}

// lock 表示当前临界资源是否被上锁
bool old = true;
while (old)
	swap(&old, &lock);
critical_section;
lock = false;
remainder_section;

优缺点同 TSL。