现代操作系统笔记之 进程间通信（上）

进程间的通信其实就是要解决3个问题1、一个进程如何把信息传递给另一个进程2、怎么处理多个进程在关键活动中不出现交叉3、确保进程处理的顺序性。当然，进程间的通信同样也是适合线程，对于第一个问题，由于线程是共享同一个地址空间，通信比较容易，要处理的其实就是后两个问题，解决方法与进程的方法一致。

竞争条件

在一些操作系统中，写作的进程可能拥有一些共享区，现考虑一个例子，一个脱机打印程序，当一个进程需要打印一个文件时，它就将文件名放在一个特殊的假脱机目录下，另一个进程则周期性的检查是否有文件需要打印，若有则进行打印并将文件名从目录中删去（其实这里的程序就可以当成一个队列，没那么复杂，如下图）

如图，假设该假脱机目录有槽位0、1、2...，其中有两个共享变量in和out，in指向下一个空闲槽位，out指向需要打印的槽位，这两个变量可以被所有进程访问。这时候出现一种情况，假设进程A和B同时需要打印一个文件，而进程A先访问假脱机目录，将变量in的值保存在自己的变量中，而恰好此时发生一次时钟中断，CPU从进程A切换到进程B，此时变量in的值没有做任何修改，进程B保存的in同样是7，然后进程B将自己需要打印的文件加入到目录中，并将in的值设为8。而在此切换到A时，A中保存的in的值仍旧是7，此时进程A将自己需要打印的文件放置在槽位7，这样就覆盖了进程B的文件，导致冲突的发生。

类似这样的情况，即两个或多个进程读写共享文件时，最后的结果取决于进程运行的精确时序，称为竞争条件。

临界区

要避免之前的竞争条件的发生，就要避免多个进程同时读写共享区，即当一个进程在使用一个共享变量或文件时，另外进程不能访问这些共享变量或文件。但出现的问题也是在一个进程还未使用完共享区文件，另一个进程就开始使用这些文件，如同刚刚提到的假脱机打印程序。

对于一个进程，它可能在做内部计算或是在访问共享内存区，在访问共享内存区的那部分程序代码，称为临界区。如果经过适当安排，使两个进程不可能同时处于临界区，那么就可以避免竞争条件的发生。

当然，一个好的解决方案需要满足一下四个条件：

1、任何两个进程不能同时处于临界区

2、不能对CPU的速度和数量做任何假设

3、临界区外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

可以用下图进行描述，当进程A进去临界区时，稍后，进程B试图进入，但失败了，此时进程B处于阻塞状态，等待进程A离开临界区，而一旦进程A离开临界区，进程B才能够进入临界区。

忙等待的互斥

下面是实现几种互斥的方案

1、屏蔽中断

这是最简单的方法，就是一旦当一个进程进入临界区后立即屏蔽所有中断，包括时钟中断，这样CPU就不会进行进程切换，其他进程就不会进入临界区。但是，这样做并不好，首先，将中断的权利交给用户本身就很危险，一旦中断无法恢复，会导致系统的崩溃。其次，对于多核CPU而言，一个CPU的中断暂停不会导致其他CPU中断暂停，这样就没有什么效果。

2、锁变量

类似于数据库里的共享排他锁吧，设定一个共享锁变量，当一个进程访问共享区时，将锁变量设为1，离开共享区后，将锁变量设置为0。这样，其他进程需要访问变量时首先观察共享锁的值是否为1，是的话则一直等待直到为0，然后才可以访问并把锁置为1。但是，这种方案与之前的假脱机程序有同样的毛病，就是当一个进程刚刚读取出共享锁的值为0，并即将把这个值设置为1时，发生一次时钟中断，其他进程访问共享区，发现共享锁还是0，于是两个进程都可以欢快的同时访问同一个共享区了。

3、严格轮换法

以如下C语言程序段为例，整型变量turn，初始值为0，用来记录轮到那个进程进入临界区，并检查更新共享内存。一开始进程0检查turn，发现其值为0，进入临界区，进程1发现其值也为0，所以在一个等待循环中不断测试turn的值，直到这个值为1，这个称为忙等待。只有忙等待时间比较少的情况下才使用，用于忙等待的锁称为自旋锁。但是，当一个进程比另一个进程满很多的情况下，这种方法也不再适用。

详细的说下这种问题吧，假设一开始turn的值为0，进程0可以进入临界区（就是左边的critical_region()），右边的进程1只能在while循环中不断检测turn是否为1以便进入临界区，当进程0执行完临界区任务后，将turn的值置为1，开始执行非临界区任务，进程1此时便可以进入临界区，进程1执行完临界区任务后将trun置为0，开始执行非临界区任务。此时假设进程0速度比较块，开始了下一轮工作，由于turn的值为0，所以可以进入临界区工作，然后呢工作完成后将turn置为1，进入非临界区，但假设此时进程1速度太慢了，还在执行非临界区的工作，而turn的值仍旧是1，那么这两个进程都无法进入到临界区，这样就违反了之前提到的第三个原则。

4、Peterson解法

如上图所示，这是一种不需要严格轮换的软件算法，也就是不会存在刚刚提到的问题。它的工作原理如下：假如进程0需要进入临界区，那么在进入临界区之前需要调用这个enter_region函数，该函数将turn的值置为0，并把数组为置为真，假设进程A并不想进入临界区，那么下一条循环语句直接跳出，进程0进入临界区，假设此时进程1想要进入临界区，那么必须等待进程0退出临界区并把数组的为置为假。此时假设进程0和进程1都想要进入临界区，那么他们都会改写turn的值，具体turn的值是什么取决于后改写的那个进程，假设进程1后改写，turn的值为1，但是数组上两个位都是真值，那么进程1就会在循环那里不断等待，而进程0就可以顺利进入临界区了。

5、TSL指令

以硬件方式加锁。

睡眠与唤醒

前面的几种解法都有一个缺点，就是当一个进程进入到临界区后，另一个必须要等待，这样比较浪费CPU时间，而且可能引起预想不到的后果。现在假设有两个进程H和L，H的优先级较高，调度规定一旦H进入就绪状态就可以运行，但此时加入L在临界区，H刚刚处于就绪状态，由之前的算法，H就要处于忙等待状态，但一旦H处于就绪状态，L就不会被调度，那么L就一直在临界区内。这就是优先级反转的问题。