操作系統(tǒng)概念學(xué)習(xí)筆記 11

進(jìn)程同步（一）

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互相協(xié)作的進(jìn)程之間有共享的數(shù)據(jù)，于是這里就有一個(gè)并發(fā)情況下，如何確保有序操作這些數(shù)據(jù)、維護(hù)一致性的問(wèn)題，即進(jìn)程同步。

從底層到高級(jí)應(yīng)用，同步機(jī)制依次有臨界區(qū)、信號(hào)量、管程、原子事務(wù)。

多個(gè)進(jìn)程并發(fā)訪問(wèn)和操作同一數(shù)據(jù)且執(zhí)行結(jié)果與訪問(wèn)發(fā)生的特定順序有關(guān)，稱之為競(jìng)爭(zhēng)條件（race condition）。

臨界區(qū)（critical section）

每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)代碼段稱為臨界區(qū)（critical section），在該區(qū)中進(jìn)程可能改變共同變量、更新一個(gè)表或?qū)懸粋€(gè)文件等。這種系統(tǒng)的重要特征是當(dāng)一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)，沒有其他進(jìn)程可被允許在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行，即沒有兩個(gè)進(jìn)程可同時(shí)在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行。

臨界區(qū)問(wèn)題（critical-section problem）是設(shè)計(jì)一個(gè)以便進(jìn)程協(xié)作的協(xié)議。每個(gè)進(jìn)程必須請(qǐng)求允許進(jìn)入其臨界區(qū)。實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的代碼段稱為進(jìn)入?yún)^(qū)（entry section），臨界區(qū)之后可有退出區(qū)（exit section），其他代碼段成為剩余區(qū)（remainder section）。

一個(gè)典型進(jìn)程Pi的通用結(jié)構(gòu)：

do{進(jìn)入?yún)^(qū)臨界區(qū)退出區(qū)剩余區(qū)}while(TRUE)

臨界區(qū)問(wèn)題的解答必須滿足三項(xiàng)要求：

• （1）互斥（mutual exclusion）：
  如果進(jìn)程Pi在其臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行，那么其他進(jìn)程都不能在其臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行；

• （2）前進(jìn)（progress）：
  如果沒有進(jìn)程在其臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行且有進(jìn)程需進(jìn)入臨界區(qū)，那么只有那么不在剩余區(qū)內(nèi)執(zhí)行的進(jìn)程可參加選擇，以確定誰(shuí)能下一個(gè)進(jìn)入臨界區(qū)，且這種選擇不能無(wú)限推遲；

• （3）有限等待（bounded waiting）：
  從一個(gè)進(jìn)程做出進(jìn)入臨界區(qū)的請(qǐng)求，直到該請(qǐng)求允許為止，其他進(jìn)程允許進(jìn)入其臨界區(qū)內(nèi)的次數(shù)有上限。

一個(gè)操作系統(tǒng)，在某個(gè)時(shí)刻，可同時(shí)存在有多個(gè)處于內(nèi)核模式的活動(dòng)進(jìn)程，因此實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的內(nèi)核代碼，會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)條件。內(nèi)核開發(fā)人員有必要確保其操作系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)條件。

有兩種方法用于處理操作系統(tǒng)內(nèi)的臨界區(qū)問(wèn)題：

搶占內(nèi)核（preemptive kernel）與非搶占內(nèi)核（nonpreemptive kernel）：

搶占內(nèi)核允許處于內(nèi)核模式的進(jìn)程被搶占。

非搶占內(nèi)核不允許內(nèi)核模式的進(jìn)程被搶占。

非搶占內(nèi)核的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從根本上不會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)條件，對(duì)于搶占內(nèi)核需要認(rèn)真設(shè)計(jì)以確保其內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)條件。

但搶占內(nèi)核更受歡迎，因?yàn)閾屨純?nèi)核更適合實(shí)時(shí)編程，因?yàn)樗茉试S實(shí)時(shí)進(jìn)程搶占處于內(nèi)核模式運(yùn)行的其他進(jìn)程。再者，搶占內(nèi)核的響應(yīng)更快，因?yàn)樘幱趦?nèi)核模式的進(jìn)程在釋放CPU之前不會(huì)運(yùn)行過(guò)久。

Peterson算法

Peterson算法是一種經(jīng)典的基于軟件的臨界區(qū)問(wèn)題算法，不能確保正確運(yùn)行。

Peterson算法適用于兩個(gè)進(jìn)程在臨界區(qū)與剩余區(qū)間交替執(zhí)行,為了方便，當(dāng)使用Pi時(shí)，Pj來(lái)標(biāo)示另一個(gè)進(jìn)程，即j == i - 1。Peterson算法需要在兩個(gè)進(jìn)程之間共享兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)：

int turn;boolean flag[2];

變量turn表示哪個(gè)進(jìn)程可以進(jìn)入其臨界區(qū)，即如果turn==i，那么進(jìn)程Pi允許在其臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行。

數(shù)組flag表示哪個(gè)進(jìn)程想要進(jìn)入臨界區(qū),如果flag[i]為true，即Pi想進(jìn)入其臨界區(qū)。

//進(jìn)程Pi的Peterson算法 do{flag[i]=TRUE;turn=j;while(flag[j]&&turn==j);臨界區(qū)flag[i]=FALSE;剩余區(qū)}while(TRUE)

可以證明，滿足三項(xiàng)要求。

硬件同步

通過(guò)要求臨界區(qū)用鎖來(lái)防護(hù)，就可以避免競(jìng)爭(zhēng)條件，即一個(gè)進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)之前必須得到鎖，而其退出臨界區(qū)時(shí)釋放鎖。

do{請(qǐng)求鎖臨界區(qū)釋放鎖剩余區(qū)}while(TRUE)

硬件特性能簡(jiǎn)化編程任務(wù)且提高系統(tǒng)效率。

對(duì)于單處理器環(huán)境，臨界區(qū)問(wèn)題可簡(jiǎn)單地加以解決：在修改共享變量時(shí)要禁止中斷出現(xiàn)。這樣其他指令不可能執(zhí)行，所以共享變量也不會(huì)被意外修改。這種方法通常為搶占式內(nèi)核所采用。

在多處理器環(huán)境下，這種解決方法是不可行的，低效且影響系統(tǒng)時(shí)鐘。

特殊硬件指令以允許能原子地（不可中斷的）檢查和修改字的內(nèi)容或交換兩個(gè)字的內(nèi)容。如TestAndSet()，當(dāng)兩個(gè)指令同時(shí)執(zhí)行在不同的CPU上，那么它們會(huì)按任意順序來(lái)順序執(zhí)行。

TestAndSet指令定義：

boolean TestAndSet(boolean *target){boolean rv=*target;*target=TRUE;return rv;}

使用TestAndSet的互斥實(shí)現(xiàn),聲明一個(gè)Boolean變量lock，初始化為false

do{while(TestAndSetLock(&lock));//do nothing//critical sectionlock=FALSE;//remainder section}while(TRUE);

使用TestAndSet的有限等待互斥：任何等待進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程只需要等待n-1次。

boolean waiting[i] = TRUE;
boolean lock;
初始化為false

do{waiting[i]=TRUE;key=TRUE;while(waiting[i]&&key)key=TestAndSet(&lock);waiting[i]=FALSE;//critical sectionj=(i+1)%n;while((j!=i)&&!waiting[j])j=(j+1)%n;if(j==i)lock=FALSE;elsewaiting[j]=FALSE//remainder section}while(TRUE);

Swap指令的定義：

void Swap(boolean *a,boolean *b){booleab temp=*a;*a=*b;*b=temp;}

使用Swap的互斥實(shí)現(xiàn)：key為每個(gè)進(jìn)程局部變量，lock為全局變量,初始化為false

do{key=TRUE;while(key==TRUE)Swap(&lock,&key);//critical sectionlock=FALSE;//remainder section}while(TRUE);

然而，對(duì)于硬件設(shè)計(jì)人員，在多處理器上實(shí)現(xiàn)原子指令TestAndSet并不簡(jiǎn)單。

信號(hào)量（semaphore）

應(yīng)用層面解決臨界區(qū)問(wèn)題：信號(hào)量

信號(hào)量S是個(gè)整數(shù)變量，除了初始化外，它只能通過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)原子操作：wait()和signal()來(lái)訪問(wèn)。即P和V。

wait()的定義可表示為：

wait(S){while(S<=0);//no-opS--;}

signal()的定義可表示為：

signal(S){S++;}

在wait()和signal()操作中，對(duì)信號(hào)量整型值的修改必須不可分地執(zhí)行。

用法：

通常操作系統(tǒng)區(qū)分計(jì)數(shù)信號(hào)量和二進(jìn)制信號(hào)量。計(jì)數(shù)信號(hào)量的值域不受限制，而二進(jìn)制信號(hào)量的值只能為0或1,有的系統(tǒng)，。由于二進(jìn)制信號(hào)量是互斥的，因而可以將其應(yīng)用于處理多進(jìn)程的臨界區(qū)問(wèn)題。

使用信號(hào)量的互斥實(shí)現(xiàn)：n個(gè)進(jìn)程共享信號(hào)量mutex，初始值1

do{wait(mutex);//critical sectionsignal(mutex);//remainder section}while(TRUE);

計(jì)數(shù)信號(hào)量可以用來(lái)控制訪問(wèn)具有若干個(gè)實(shí)例的某種資源。該信號(hào)量初始化為可用資源的數(shù)量。當(dāng)每個(gè)進(jìn)程需要使用資源時(shí)，需要對(duì)該信號(hào)量執(zhí)行wait()操作。當(dāng)進(jìn)程釋放資源時(shí)，需要對(duì)該信號(hào)執(zhí)行signal()操作。

可以用信號(hào)量來(lái)解決各種同步問(wèn)題。如先執(zhí)行Pi的S1語(yǔ)句，然后再執(zhí)行Pj的S2語(yǔ)句，可以通向一個(gè)信號(hào)量，初始化為0，然后執(zhí)行S1完，執(zhí)行signal()，在執(zhí)行S2前，執(zhí)行wait()。

實(shí)現(xiàn)：

信號(hào)量的主要缺點(diǎn)是要求忙等待（busy waiting）。即在進(jìn)入代碼段中連續(xù)地循環(huán)。忙等待浪費(fèi)了CPU時(shí)鐘，這種類型的信號(hào)量也稱為自旋鎖（spinlock），這是因?yàn)檫M(jìn)程在其等待鎖的時(shí)還在運(yùn)行(自旋鎖有其優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)程在等待鎖時(shí)不進(jìn)行上下文切換，而上下文切換可能需要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。因此如果鎖占用的時(shí)間短，那么鎖就有用了，自旋鎖常用于多處理器系統(tǒng)中，這樣一個(gè)線程在一個(gè)處理器自旋時(shí)，另一線程可在另一個(gè)處理器上在其臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行)

為克服這一缺點(diǎn)，修改wait()和signal()的定義，信號(hào)量值不為正時(shí)，不是忙等而是阻塞自己，阻塞操作將一個(gè)進(jìn)程放入到與信號(hào)量相關(guān)的等待隊(duì)列中，并將該進(jìn)程的狀態(tài)切換成等待狀態(tài)，接著，控制轉(zhuǎn)到CPU調(diào)度程序，以選擇另一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行。

被阻塞在等待信號(hào)Ｓ上的進(jìn)程，可以在其他進(jìn)程執(zhí)行signal()的時(shí)候操作之后重新被執(zhí)行，該進(jìn)程的重新執(zhí)行是通過(guò)wakeup()操作來(lái)進(jìn)行的將進(jìn)程從等待狀態(tài)切換到就緒狀態(tài)。接著進(jìn)程被放到就緒隊(duì)列中。

因而將信號(hào)量定義為如下：

typedef struct{int value; //記錄了這個(gè)信號(hào)量的值 struct process *list; //儲(chǔ)存正在等待這個(gè)信號(hào)量的進(jìn)程（PCB鏈表指針）}semaphore;

每個(gè)信號(hào)量都有一個(gè)整型值和一個(gè)進(jìn)程鏈表，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程必須等待信號(hào)量時(shí)，就加入到進(jìn)程鏈表上，操作signal()會(huì)從等待進(jìn)程鏈表中取一個(gè)進(jìn)程以喚醒。

wait()實(shí)現(xiàn)：

wait(semaphore *S){S->value--;if(S->value <0){ //沒有資源add this process to S->list; //進(jìn)入等待隊(duì)列 block(); //堵塞 }}

signal()實(shí)現(xiàn)：

signal(semaphore *S){S->value++;if(S->value<=0){ //上面++后，S仍然還<=0，說(shuō)明資源供不應(yīng)求，等待者還有很多，于是喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)remove a process P from S->list;wakeup(P); //切換到就緒狀態(tài) }}

操作block()掛起調(diào)用他的進(jìn)程。

操作wakeup(P)重新啟動(dòng)阻塞進(jìn)程Ｐ的執(zhí)行。

這兩個(gè)操作都是由操作系統(tǒng)作為基本系統(tǒng)調(diào)用來(lái)提供的。

在具有忙等的信號(hào)量經(jīng)典定義下，信號(hào)量的值絕對(duì)不能為負(fù)數(shù)，但是本實(shí)現(xiàn)可能造成信號(hào)量為負(fù)值。如果信號(hào)量為負(fù)值，那么其絕對(duì)值就是等待該信號(hào)量的進(jìn)程的個(gè)數(shù)。

等待進(jìn)程的鏈表可以利用進(jìn)程控制塊PCB中的一個(gè)鏈接域來(lái)加以輕松實(shí)現(xiàn)。即每個(gè)信號(hào)量包括一個(gè)整型值和一個(gè)PCB鏈表的指針。

信號(hào)量的關(guān)鍵之處是它們?cè)拥膱?zhí)行。必須確保沒有兩個(gè)進(jìn)程能同時(shí)對(duì)一個(gè)信號(hào)量進(jìn)行操作，在單處理器情況下，可以在執(zhí)行wait()和signal()的時(shí)候簡(jiǎn)單的關(guān)閉中斷，保證只有當(dāng)前進(jìn)程進(jìn)行。

多處理器下，若禁止所有CPU的中斷，則會(huì)嚴(yán)重影響性能，SMP系統(tǒng)必須提供其他加鎖技術(shù)（如自旋鎖），以確保wait()與signal()可原子地執(zhí)行。

死鎖與饑餓：

具有等待隊(duì)列的信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致這樣的情況：

兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程無(wú)限地等待一個(gè)事件，而該事件只能由這些等待進(jìn)程之一來(lái)產(chǎn)生。這里的事件是signal()操作的執(zhí)行。當(dāng)出現(xiàn)這樣的狀態(tài)時(shí)，這些進(jìn)程就稱為死鎖（deadlocked）。

例如，一個(gè)由P1 P2　組成的系統(tǒng)，每個(gè)都訪問(wèn)共享的信號(hào)量Ｓ和Ｑ，ＳＱ初值均為１：

P0:

wait(S);wait(Q);//......signal(S);signal(Q);

P1:

wait(Q);wait(S);//......signal(Q);signal(S);

假設(shè)，P0執(zhí)行wait(S)，接著P1執(zhí)行wait(Q),P0再執(zhí)行wait(Q)時(shí)，必須等待，直到P1執(zhí)行signal(Q),而此時(shí)P1也在等待P0執(zhí)行signal(S),兩個(gè)操作都不能進(jìn)行，P0和P1就死鎖了。

與死鎖相關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是無(wú)限期阻塞（indefinite blocking）或饑餓（starvation）：即進(jìn)程在信號(hào)量?jī)?nèi)無(wú)限期等待。

舉個(gè)例子來(lái)理解死鎖與饑餓的區(qū)別：

• 死鎖(deadlock)

指的是兩個(gè)或者兩個(gè)以上的進(jìn)程相互競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)資源，導(dǎo)致進(jìn)程永久阻塞。

例如：

1、桌子上有慢慢一桌子的美食，但是只有一雙筷子。
2、甲拿了一根，然后在找另一根。
3、乙拿了一根，然后也在找另一根。
4、因?yàn)樗麄兌颊莆樟藢?duì)方必需的資源，導(dǎo)致最后他們倆誰(shuí)都吃不到美食。

• 饑餓(starvation)

指的是等待時(shí)間已經(jīng)影響到進(jìn)程運(yùn)行，此時(shí)成為饑餓現(xiàn)象。如果等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致進(jìn)程使命已經(jīng)沒有意義時(shí)，稱之為“餓死”。

例如：

1、小明要告訴媽媽明天開家長(zhǎng)會(huì)。
2、小明媽媽因?yàn)楣ぷ魈?#xff0c;在公司加班，沒有回家。
3、于是第二天，小明的媽媽就錯(cuò)過(guò)了家長(zhǎng)會(huì)。（“餓死”）
4、其實(shí)小明的媽媽沒有出現(xiàn)“死鎖”。只是小明的優(yōu)先級(jí)過(guò)低，不如工作重要。

經(jīng)典同步問(wèn)題

有限緩存問(wèn)題—生產(chǎn)者消費(fèi)問(wèn)題：

假設(shè)緩沖池有n個(gè)緩沖項(xiàng)，每個(gè)緩沖項(xiàng)能存在一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。信號(hào)量mutex提供了對(duì)緩沖池訪問(wèn)的互斥要求，并初始化為1。信號(hào)量empty和full分別用來(lái)表示空緩沖項(xiàng)和滿緩沖項(xiàng)的個(gè)數(shù)，信號(hào)量empty初始化為n；而信號(hào)量full初始化為0。

生產(chǎn)者進(jìn)程結(jié)構(gòu)：

do{…//produce an item in next p…wait(empty);wait(mutex);…//add next p to buffer…signal(mutex);signal(full);}while(TRUE);

消費(fèi)者進(jìn)程結(jié)構(gòu)：

do{wait(full);wait(mutex);…//remove an item from buffer to next c…signal(mutex);signal(empty);…//consume the item in next c…}while(TRUE);

讀者-寫者問(wèn)題：

只讀數(shù)據(jù)庫(kù)的進(jìn)程稱為讀者；更新（讀和寫）數(shù)據(jù)庫(kù)的稱為寫者。

第一讀者-寫者問(wèn)題：要求沒有讀者需要保持等待除非已有一個(gè)寫者已獲得允許已使用共享數(shù)據(jù)庫(kù)。換句話說(shuō)，沒有讀者會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)寫者在等待而會(huì)等待其他讀者的完成。

第二讀者-寫者問(wèn)題：要求一旦寫者就緒，那么寫者會(huì)盡可能快得執(zhí)行其寫操作。換句話說(shuō)，如果一個(gè)寫者等待訪問(wèn)對(duì)象，那么不會(huì)有新讀者開始讀操作。

對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題的解答可能導(dǎo)致饑餓問(wèn)題。對(duì)第一種情況，寫者可能饑餓；對(duì)第二種情況，讀者可能饑餓。

對(duì)于第一讀者－寫者問(wèn)題的解決:

讀者進(jìn)程共享以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

semaphore mutex, wrt;int readcount;

信號(hào)量mutex和wrt初始化為1，readcount初始化為0，信號(hào)量wrt為讀者和寫者進(jìn)程所共有。信號(hào)量mutex用于確保在更新變量readcount時(shí)的互斥。變量readcount用來(lái)跟蹤有多少進(jìn)程正在讀對(duì)象。信號(hào)量wrt供寫者作為互斥信號(hào)量，它為第一個(gè)進(jìn)入臨界區(qū)和最后一個(gè)離開臨界區(qū)的讀者所使用，而不被其他讀者所使用。

寫者進(jìn)程結(jié)構(gòu)：

do{wait(wrt);…;//writing is performed…;signal(wrt);}while(TRUE);

讀者進(jìn)程結(jié)構(gòu)：

do{wait(mutex);readcount++;if(readcount==1)wait(wrt);signal(mutex);…;//reading is performed…;wait(mutex);readcount--;if(readcount==0)signal(wrt);signal(mutex);}while(TRUE);

推廣為讀寫鎖。

在以下情況下最為有用：

一是，當(dāng)可以區(qū)分哪些進(jìn)程只需要讀共享數(shù)據(jù)，哪些進(jìn)程只需要寫共享數(shù)據(jù)；

二是，當(dāng)讀者進(jìn)程數(shù)比寫進(jìn)程多時(shí)。

哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題：

拿起與他相近的兩只筷子，一個(gè)哲學(xué)家一次只能拿起一只筷子，同時(shí)有兩只筷子時(shí)，就能吃，吃完，會(huì)放下兩只筷子。

一種簡(jiǎn)單的方法，每只筷子都用一個(gè)信號(hào)量來(lái)表示。一個(gè)哲學(xué)家通過(guò)執(zhí)行wait()操作試圖獲取相應(yīng)的筷子，他會(huì)通過(guò)執(zhí)行signal()操作以釋放相應(yīng)的筷子。

共享數(shù)據(jù)為：semaphore chopstick[5];其中所有chopstick的元素初始化為1。

哲學(xué)家i的結(jié)構(gòu)：

do{wait(chopstick[i]);wait(chopstick[(i+1)%5]);…;//eat…;signal(chopstick[i]);signal(chopstick[(i+1)%5]);…;//think…;}while(TRUE);

但這種方法會(huì)發(fā)生死鎖，例如，所有哲學(xué)家同時(shí)饑餓，且同時(shí)拿起左邊的筷子。

多種可以解決死鎖的方法：
①最多只允許4個(gè)哲學(xué)家同時(shí)坐在桌子上；
②只有兩只筷子都可用時(shí)才允許一個(gè)哲學(xué)家拿起它們（他必須在臨界區(qū)內(nèi)拿起兩只筷子）；
③使用非對(duì)稱解決方法，即技術(shù)哲學(xué)家先拿起左邊的筷子，接著拿起右邊的筷子，而偶數(shù)哲學(xué)家先拿起右邊的筷子，接著拿起左邊的筷子。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统概念学习笔记 11 进程同步（一）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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