2.3_3 进程互斥的硬件实现方法

学习提示：

1.理解各方法的原理

2.了解各方法的优缺点

（一）中断屏蔽方法

  利用“开/关中断指令”实现（与原语的实现思想相同，即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，也就不能发生进程切换，因此也不可能发生两个同

时访问临界区的情况）

  优点：简单、高效。

  缺点：不适用于多处理机；只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程（因为开/关中断指令只能运行在内核态，这组指令如果能让用户随意使用会很危险）

为什么“不适用于多处理机”——因为关中断只对当前处理机有用。例如在处理机A上执行关中断，那么处理机B仍然是正常状态，处理机B上的进程仍然能够访问该临界区。

（二）TestAndSet指令

  简称TS指令，也有地方称为TestAndSetLock指令，或TSL指令。

  TSL指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。以下是用C语言描述的逻辑。

  若刚开始lock是false，则TSL返回的old值为false，while循环条件不满足，直接跳过循环，进入临界区。

  若刚开始lock是true，则执行TSL后old返回的值为true，while循环条件满足，会一直循环，直到当前访问临界区的进程在退出区进行“解锁”。

  相比软件实现方法，TSL指令把“上锁”和“检查”操作用硬件的方式变成了一气呵成的原子操作。

  优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞；适用于多处理机环境。

  缺点：不满足“让权等待”原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令，从而导致“忙等”。

（三）Swap指令

  有的地方叫Exchange指令，或简称XCHG指令。

  Swap指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。以下是用C语言描述的逻辑。

  逻辑上来看 Swap 和 TSL 并无太大区别，都是先记录下此时临界区是否已经被上锁（记录在 old 变 量上），再将上锁标记 lock 设置为 true，最后检查 old，如果 old 为 false 则说明之前没有别的进程对临界区上锁，则可跳出循环，进入临界区。

  所以，Swap指令的优点、缺点，和TSL大体上也是一样的。

  优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞；适用于多处理机环境。

  缺点：不满足“让权等待”原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行Swap指令，从而导致“忙等”。

总结

（四）互斥锁

  解决临界区最简单的工具就是互斥锁（mutex lock）。一个进程在进入临界区时应获得锁；在退出临界区时释放锁。函数acquire()获得锁，而函数release()释放锁。

  每个互斥锁有一个布尔变量available，表示锁是否可用。如果锁是可用的，调用acquire()会成功，且锁不再可用。当一个进程试图获取不可用的锁时，会被阻塞，直到锁被释放。

acquire() {		//获得锁while(!available);	//忙等待available = false;	//获得锁
}release() {		//释放锁available = true;	//释放锁
}

  acquire()或release()的执行必须是原子操作，因此互斥锁通常采用硬件机制来实现。

  互斥锁的主要缺点是忙等待，当有一个进程在临界区中，任何其他进程在进入临界区时必须连续循环调用acquire()。当多个进程共享同一CPU时，就浪费了CPU周期。因此，互斥锁通常用于多处理机系统，一个线程可以在一个处理机上等待，不影响其他线程的执行。

  需要连续循环忙等的互斥锁，都可称为自旋锁（spin lock），如TSL指令、Swap指令、单标志法。

特性：

  1.需忙等，进程时间片用完才下处理机，违反“让权等待”。

  2.优点：等待期间不用切换进程上下文，多处理器系统中，若上锁的时间短，则等待代价很低。

  3.常用于多处理器系统，一个核忙等，其他核照样工作，并快速释放临界区。

  4.不太适用于单处理机系统，忙等的过程中不可能解锁。