进程间通信（一）：竞争条件与互斥方案

                                进程间通信（一）：进程之间的冲突与处理方式

                                                           ——《现代操作系统第二章第三节》

     1、问题的提出

     我们想象一个假脱机打印程序，当一个进程需要打印一个文件时，它会将该文件放在一个假脱机目录下。另一个进程负责周期性地检查是否有文件需要被打印，如果有就打印并将其在目录中删除。简单设想，脱机目录中有很多槽位，每个槽位中存放文件名，假设它们有两个共享的变量：out，指向下一个要被打印的文件；in，指向下一个空闲的槽位。如图，下一个被打印的应该是4号槽，下一个入队的应该是7号槽。

                                      

      现在，假设进程A、B将把文件A、B入队，假设A先读到的信息是7，并且A将7存入自己的一个记忆变量中，而这时，系统认为已经分给了A足够的时间，于是中断A切换置进程B。进程读到的信息是7，将7存入自身的一个记忆变量中，并将int更新至8。至此B已经完成了所有的入队操作，转而去干其他的事情。当A继续执行时，它还认为应该将文件存到7号槽，于是A文件成功地覆盖住了B文件，而我们的B文件，永远都不会被打印。问题就出现了。

      2、抽象一些概念

      竞争条件：类似于上述情况，即两个或者多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程的运行的精确时序，称为竞争条件。（把条件理解成情况，竞争情况，貌似更加容易理解一些=。=）

      互斥：互斥是一种手段，它使共享数据的进程无法同时对其共享的数据进行处理。

      临界区：即访问共享内存的程序片。也就是说，通过合理的安排，使得两个进程不可能同时处在临界区中，就能避免竞争条件。

      忙等待：连续测试一个变量直至某值出现位止。（如语句while(t!=0){},那么当t不为零时，while()之后的语句将永远不会执行，这种情况书中好像也叫挂起）

      自旋锁：用于忙等待的锁。（在3-（3）中，turn即使自旋锁）

             

          3、忙等待的互斥（几种实现互斥的方法）

         （1）屏蔽中断

          原理：进程进入临界区后立即屏蔽所有中断，离开后打开中断。

          缺点：a、多核的系统无效（其他进程任然可以占用其他的CPU继续访问公共内              

                   存）

                b、用户程序来控制中断会很危险（使想一下，一个进程屏蔽中断后不再       

                   打开中断，那你的系统就GG了）

          结论：屏蔽中断对系统本身是一项很有用的技术，但对用户进程不是一种合适的

                通用互斥机制。

         （2）锁变量

          原理：屏蔽中断的软件实现机制。

                假定一个共享（锁）变量，初值为0，代表临界区内无进程，进程进入临                

             界区后将其改变为1，代表临界区内有进程；倘若进程在进入临界区之前，              

             锁变量值为1，该进程将等待其值变为0。

未能实现的原因：与假脱机目录的疏漏一样，如果一个进程进入临界区，但是在       

             它把锁变量置1之前被中断，另一个进程进入临界区后将0置1，这样，

             当前一个进程再次运行时它也将锁变量置1，这样临界区内依然存在两

             个进程。

         （3）严格轮换

          原理：共享turn变量，用来记录轮到那个进程进入临界区。

                   

           当turn=0时，只有进程0能进入临界区，进程0在离开临界区前将turn 

              置1，从而标志，轮到进程1进入临界区。

           缺点：严格地轮换，可能导致临界区外的进程阻塞需要进入临界区的进程（例 

               如：当turn=0时，意味着只有进程0能进入临界区，这时如果进程0还要

               100年才会进入临界区，而进程1需要马上进入，那进程1还要白白等100 

               年.）

          总结：当一个进程比另一个进程慢了许多的情况下，不宜用这种方式。

         （4）Peterson解法

          这是Peterson本人发明的一种简单的互斥算法。

 

                 

          我们分情况跑一遍程序：

          a、进程0通过调用enter_region()进入临界区，此时1也想调用enter_region() 

         来进入临界区，但interested[0]为TRUE，因此被while循环挂起，当进程0出临

         界区时调用leave_region()，将interested[0]设为FALSE，进程1即可及时进入临界

         区。

          b、当进程0在调用enter_region()过程的任意时刻被中断，进程1进入临界区

          后进程0再次进行时，依然会被挂起。（实际上while循环体中的两条判断句就 

          保证了，当一个进程在临界区中时，另一个想进入临界区的进程必然会被挂起）。

 

         （5）TSL指令

          原理简述：

          TSL（test and set lock）,是十分适合多处理器计算机实现互斥的硬件支持。它会 

         在一个进程进入临界区时，锁住内存总线，从而禁止其他CPU在本指令结束之前 

         访问内存。

         对于TSL指令，本文之做简单的原理性描述（虽然老师上课讲的比较详细），想进

         一步了解关于TSL指令，可以看一下书中本节内容，有详细阐述。

    4、综述

        要想拟定一个方案，使它既能避免竞争条件，又能保证进程运行与协作的效率，必须要满足4个条件。

         (1)、任何两个进程不能同时处于临界区

         (2)、不应对CPU的速度和数量做任何假定

         (3)、临界区外运行的进程不能阻塞其他进程

         (4)、不得使进程无限期等待进入临界区

    （下图为避免竞争条件的模型图）