5.同步互斥机制

5.1进程并发执行

并发是所有问题产生的基础，并发是操作系统设计的基础。

从进程的特征出发：（1）并发：a.进程的执行是间断性的；b.进程的相对执行速度不可预测

                                    （2）共享：进程/线程共享某些资源，使用过程中，会产生制约性

                                    （3）不确定性：进程执行的结果与其执行的相对速度有关，是不确定的

5.2进程互斥

竞争条件：两个或多个进程在读写某些共享数据的时候，而最后的结果取决于进程运行的精确时序。

进程互斥：由于各进程要求使用共享资源（变量、文件等）,而这些资源需要排他性使用，各进程之间竞争使用这些资源，这一关系成为进程互斥。

临界资源(critical resource)：系统中某些资源一次只允许一个进程使用，这样的资源成为临界资源或互斥资源或共享变量。

临界区（互斥区）（critical section）：各个进程中对某个临界资源（共享变量）实施操作的程序片段。

例：当进程A在临界区中时，进程B不能进入临界区。

临界区使用原则：

（1）没有进程在临界区时，想进入临界区的进程可进入

（2）不允许两个进程同时处于其临界区中

（3）临界区外运行的进程不得阻塞其他进程进入临界区

（4）不得使进程无限期等待进入临界区

实现进程互斥的方案：

（1）软件方案：Dekker解法，Peterson解法

a.Dekker算法：

P：                                                      Q:... ...                                                  ... ...pturn=true;                                              qturn=true;while(qturn){                                            while(pturn){     if(turn==2){                                             if(turn==1){       pturn=false;                                             qturn=false;       while(turn==2);                                          while(turn==1);        pturn=true;                                             qturn=true;}}                                                       }}临界区                                                   临界区turn=2;                                                  turn=1;pturn=false;                                             qturn=false;... ...                                                  ... ...

在两个进程都想进又都谦让的时候，让turn决定谁进CPU。

 b.Peterson算法——解决了互斥访问的问题，而且克服了强制轮流法的缺点，可以完全正常地工作

 进程i想进入临界区时，调用enter_region(i)判断是否可以安全进入临界区，如果可以，则当前函数执行完进入临界区，调用时，使用进程号，执行完成后，调用leave_region(i);

（2）硬件方案：屏蔽中断、TSL（XCHG）指令

 a.“开关中断”指令：执行“关中断”指令——临界区操作——执行“开中断”指令。

 特点：简单高效，代价高，限制CPU并发能力（临界区大小），不适用于多处理器，适用于操作系统本身，不适于用户进程。

 b.“测试并加锁”指令。TSL指令：TEST AND SET LOCK。

 c.交换指令。

5.3进程同步——协作关系

进程同步：系统中多个进程中发生的时间存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务。具体地说，一个进程运行到某一点时，要求另一伙伴进程为他提供消息，在未获得消息之前，该进程进入阻塞态，获得消息后被唤醒进入就绪态。

5.4一种经典的进程同步机制——信号量及P\V操作

信号量：一个特殊变量，用于进程间传递信息的一个整数值。定义如下：

structure semaphore

{

   int count;

   queueType queue;

}

信号量说明：semaphore s;对信号量可实施的操作：初始化，p和v（P,V分别是荷兰语的test和increment）。

（1）P操作：

P(s)

{s.count--;

if(s.count<0)

{该进程状态置为阻塞状态；

 将该进程插入相应的等待队列s.queue末尾；

重新调度；

}

}

（2）V操作

V(s)

{s.count++;

if(s.count<=0)

{唤醒相应等待队列s.queue中等待的一个进程；

改变其状态为就绪态，并将其插入就绪队列；

}

}

有关说明：P,V操作为原语操作。

用P,V操作解决进程间互斥问题：

（1）分析并发进程的关键活动，划定临界区；

（2）设置信号量mutex，初值为1；

（3）在临界区前实施P（mutex）

（4）在临界区之后实施V（mutex）。

5.5 用信号量解决读者 /写者问题

问题描述：多个进程共享一个数据区，这些进程分为两组：（1）读者进程：只读数据区中的数据（2）写者进程：只往数据区写数据；

要求满足条件：

（1）允许多个读者同时执行读操作；

（2）不允许多个写者同时操作；

（3）不允许读者、写者同时操作。

解决问题时，必须要明确是哪一类读者写者问题。

第一类读者写者问题：读者优先。则

（1）如果读者执行：

a.无其他读者、写者，该读者可以读；

b.若已有写者等，但有其他读者正在读，则该读者也可以读；

c.若有写者正在写，该读者必须等。

（2）如果写者执行：

a.无其他读者、写者，该写者可以写；

b.若有读者正在读，该写者等待；

c.若有其他写者正在写，该写者等待。