进程同步、互斥的基本概念 

 

系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源。

        我们把一个时间段内只允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备（比如摄像头、打印机）都属于临界资源。此外还有许多变量、数据、内存缓冲区等都属于临界资源。

        对临界资源的访问，必须互斥地进行。互斥，亦称间接制约关系。进程互斥指当一个进程访问某临界资源时，另一个想要访问该临界资源的进程必须等待。当前访问临界资源的进程访问结束，释放该资源之后，另一个进程才能去访问临界资源。

进入区和退出区是负责实现互斥的代码段。

临界区是进程中访问临界资源的代码段。 

进程互斥的原则：

1. 空闲让进：

        临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区；

2. 忙则等待：

        当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待；

3. 有限等待：

        对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区（保证不会饥饿）；

4. 让权等待：

        当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机，防止进程忙等待。

进程互斥的软件实现方法

单标志法

turn 的初值为 0，即刚开始只允许 0 号进程进入临界区。

若 P1 先上处理机运行，则会一直卡在 ⑤。直到 P1 的时间片用完，发生调度，切换 P0 上处理机运行。

代码 ① 不会卡住 P0，P0 可以正常访问临界区，在 P0 访问临界区期间即时切换回 P1，P1依然会卡在 ⑤。

只有 P0 在退出区将 turn 改为 1 后，P1才能进入临界区。

因此，单标志法可以实现“同一时刻最多只允许一个进程访问临界区”。

缺点是：

只能按 P0 → P1→  P0→  P1 → ……这样轮流访问。这种必须“轮流访问”带来的问题是，如果此时允许进入临界区的进程是 P0，而 P0 一直不访问临界区，那么虽然此时临界区空闲，但是并不允许 P1 访问。

因此，单标志法存在的主要问题是：违背“空闲让进”原则。

🌏总结：单标志法可以实现 “同一时刻最多只允许一个进程访问临界区”，但是违背了“空闲让进”原则。

双标志先检查

若按照 ①⑤②⑥③⑦….的顺序执行，P0 和 P1 将会同时访问临界区。

因此，双标志先检查法的主要问题是：违反“忙则等待”原则。

原因在于，进入区的“检查”和“上锁” 两个处理不是一气呵成的。“检查”后，“上锁”前可能发生进程切换。

🌏总结：双标志检查法违背了“忙则等待”原则，原因在于，进入区的“检查”和“上锁” 两个处理不是一气呵成的。“检查”后，“上锁”前可能发生进程切换。（就是无法实现互斥）

双标志后检查

若按照 ①⑤②⑥….的顺序执行，P0 和 P1 将都无法进入临界区

因此，双标志后检查法虽然解决了“忙则等待”的问题，但是又违背了“空闲让进”和“有限等待”

原则，会因各进程都长期无法访问临界资源而产生“饥饿”现象。

两个进程都争着想进入临界区，但是谁也不让谁，最后谁都无法进入临界区。

🌏总结：双标志后检查法虽然解决了“忙则等待”的问题，但是又违背了“空闲让进”和“有限等待”

原则，会因各进程都长期无法访问临界资源而产生“饥饿”现象。 两个进程都争着想进入临界区，但是谁也不让谁，最后谁都无法进入临界区。

Peterson算法

🌏Peterson 算法用软件方法解决了进程互斥问题，遵循了空闲让进、忙则等待、有限等待 三个原则，但是依然未遵循让权等待的原则。

增加一个标志位 int turn=0来表示谦让，turn等于几，就表示优先让那个进程进入临界区。

P0进程解读：先表达P0想要进入临界区的意愿，然后再谦让一下，让P1先进，然后检查，如果P1想进并且此时turn=1，那么让P1进入临界区，P0一直等待。如果不满足（flag[1]==1&&turn=1），那么P0进入临界区。

分析一下，如果是①②③⑥⑦⑧…

如果是①②③⑥⑦⑧…

P0先说自己想进，然后谦让让P1先进，但此时P1不想进，所以P0进入临界区，若此时⑥执行，那就是P1说他想进了，然后P1谦让让P0先进，P1循环检查时发现此时的条件是（P0想进，并且此时turn=0）所以P0继续访问，P1等待，直到P0访问完改成P0不想访问了，P1才能继续访问。（所以说Peterson算法实现了互斥访问即“忙则等待”）

turn有一个最新值，turn等于最后一次赋值。

如果是①⑥②③...

P0说P0想进，然后P1说P1想进，然后P0说P1先进，然后P1说P0先进，最后turn=0，等到P0检查时条件为（P1想进，但turn=0，不等于1）所以P0先访问临界区。P1一直等，P0访问完后，改成P0不想进，然后P1进去临界区。（体现了“忙则等待”、有限等待）

 但是没有实现“让权等待”，当P0不能进入临界区时，P1只能忙等。

回顾一下四个原则：

1. 空闲让进。临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区；

2. 忙则等待。当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待；

3. 有限等待。对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区（保证不会饥饿）；

4. 让权等待。当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机，防止进程忙等待。

🌏Peterson 算法用软件方法解决了进程互斥问题，遵循了空闲让进、忙则等待、有限等待 三个原则，但是依然未遵循让权等待的原则。