【王道操作系统】2.2：进程的同步与互斥

基本概念

同步与异步

这里的同步和异步主要针对的是进程的调度情况来说

1. 同步：多个进程需要配合完成某个任务，在B进程种需要使用A进程的执行结果，B就需要等待A完成
2. 异步：操作系统的随机调度，就会出现异步性

同步与互斥

这里的同步和互斥主要是就临界资源来说的

1. 同步：多个进程可以同时访问某个共享资源
2. 互斥：资源是互斥共享资源，不能同时进行访问

实现互斥要遵循的四个原则

1. 空闲让进：临界区没有进程，则直接进入
2. 忙则等待：临界区有进程，则当前进程进行等待
3. 有限等待：防止进程饿死
4. 让权等待：进不了临界区的进程，要让出处理机

软件层面实现互斥

单标志法

违反了空闲让进原则：如果刚开始允许P1进入，但是P1却没有执行；而此时P0也不能使用临界资源

双标志先检查法

违反了忙则等待原则【可能多个进程都进入了临界区】 检查和上锁是两个处理，不能一气呵成

双标志后检查法

违反了有限等待 和 空闲让进原则 上锁和检查是两个处理，不能一气呵成

Peterson 法

结合 双标志先检查法 + 单标志法 主要就是在进入区的判断：1. 先明确自己要使用的意愿；2. 在谦让给别人；3. 在检查对方是否想用并且最后一次是自己谦让的

违反了让权等待原则，自己进不去也需要使用完时间片【while 自旋】

硬件层面实现互斥

中断屏蔽

类似于原语，使用开/关中断来实现互斥访问临界区

TestAndSet

Swap

mutex

内部逻辑：获取锁的时候也是使用自旋的方式，也违反了让权等待

信号量

上述的所有互斥操作，都有一个无法解决的问题：让权等待，信号量机制就可以解决

信号量就是一个变量，表示 互斥资源 的可用量，对信号量的修改，都是通过原语进行的

PV两个原语，P - 表示申请资源；V - 表示释放资源

整形信号量

用一个整形变量表示资源的数量，对信号量的操作只有PV、初始化三种操作

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。

用信号量机制实现进程互斥、同步、前驱关系

互斥

1. 设置互斥信号量【一般为1】
2. 需要分清 进入区 和 退出区，在进入区前执行P操作；退出区后执行V操作

同步

1. 设置同步信号量【资源个数】
2. B 必须在 A 执行完后才能执行，那么我们就可以 A执行完后执行V；然后B执行前执行P；这就是前V后P

前驱关系

总结

题目

在写同步与互斥问题的题目时，必须先分析出其所有 同步 + 互斥关系；互斥要放在同步内部

生产者-消费者

问题描述

问题分析

找出同步、互斥关系

同步

1. 只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。
2. 只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待。

互斥

1. 缓冲区即为互斥资源

实现

多生产者-多消费者

问题描述

问题分析

同步

1. 父亲将苹果放入盘子后，女儿才能取苹果
2. 母亲将橘子放入盘子后，儿子才能取橘子
3. 只有盘子为空时，父亲或母亲才能放入水果

互斥

1. 盘子即为互斥资源

实现

也可以不需要互斥信号量的使用，因为同步资源为1；若不为1，则需要互斥访问【不互斥会发送结果覆盖】

吸烟者

问题描述

问题分析

同步

1. 生产者放入烟草+纸；customer1才能吸烟
2. 生产者放入烟草+胶水；customer2才能吸烟
3. 生产者放入胶水+纸巾；customer3才能吸烟
4. 吸烟者吸完烟，生产者才能放东西

互斥

1. 桌子即为互斥资源【桌子上只会有一组东西，可不需要互斥信号量】

实现

读写问题

问题描述

1. 读读进程可以共同访问临界区
2. 读写进程不可同时进入
3. 写写进程不可同时进入

问题分析

同步

此题无同步关系

互斥

1. 写写进程
2. 读写进程
3. 需要记录读进程的个数【因为不知多少个变量需要执行读操作，所以信号量的值也不好设置，因此只有第一个进入，最后一个退出时才执行PV操作】（只有第一个进程读操作时，才执行P操作；只有最后一个读进程退出时，才执行V操作），所以需要对 count 变量进行互斥访问

实现

哲学家进餐

问题描述

问题分析

实现

1. 同时最多只允许 4 个哲学家进餐
2. 给筷子进行编号，偶数号拿左边筷子；奇数号拿右边筷子
3. 只允许两只筷子都拿到手的哲学家进餐