一、同步与互斥的概念

1.1 同步与异步

• 异步性是指，各并发执行的进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进。

  • 例如：进程通信----管道通信
    
    读进程和写进程并发地运行，由于并发必然导致异步性，因此“写数据”和“读数据”两个操作执行的先后顺序是不确定的。而实际应用中，又必须按照“写数据→读数据”的顺序来执行的。如何解决这种异步问题，就是“进程同步”所讨论的内容。

• 同步亦称直接制约关系，它是指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而产生的制约关系。进程间的直接制约关系就是源于它们之间的相互合作。

1.2 进程互斥

进程的“并发”需要“共享”的支持。各个并发执行的进程不可避免的需要共享一些系统资源(比如内存，又比如打印机、摄像头这样的I/O设备)

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。

• 对临界资源的互斥访问，可以在逻辑上分为如下四个部分：
  

• 为了实现对临界资源的互斥访问，同时保证系统整体性能，需要遵循以下原则:

  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 （拒绝抢资源）；

  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（不让“占茅坑”）。

二、进程互斥的实现

2.1 软件实现

2.1.1 单标志法

• 算法思想：两个进程在访问完临界区后会把使用临界区的权限转交给另一个进程。也就是说每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予。
  
• 出现的问题：①⑤
  这个算法只能按 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。

2.1.2 双标志先检查法

• 算法思想：设置一个布尔型数组flag[ ]，数组中各个元素用来标记各进程想进入临界区的意愿。
  比如“flag[0]=ture”意味着0号进程P0现在想要进入临界区。每个进程在进入临界区之前先检查当前有没有别的进程想进入临界区，如果没有，则把自身对应的标志flag[ ]设为true，之后开始访问临界区。
  
• 出现的问题：①⑤②⑥③⑦
  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。

2.1.3 双标志后检查法

• 算法思想：双标志先检查法的改版。前一个算法的问题是先“检查”后“上锁”，但是这两个操作又无法一气呵成，因此导致了两个进程同时进入临界区的问题。因此，人们又想到 先上锁后检查 的方法，来避免上述问题。
  
• 出现的问题：①⑤②⑥
  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。

2.1.4 Peterson法

• 算法思想：结合双标志法、单标志法的思想。如果双方都争着想进入临界区，那可以让进程尝试“孔融让梨”（谦让）。做一个有礼貌的进程。
  

• 出现的问题：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。

2.2 硬件实现

2.2.1 中断指令

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（也就是另外一个用户进程也要使用临界资源，也使用这样的方法，那么就会导致两个进程同时访问临界资源的情况)；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)

2.2.2 TestAndSet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TLS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

2.2.3 Swap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

三、互斥锁

• 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acquireO。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器系统，一个线程可以在一个处理器上等待，不影响其他线程的执行。

四、信号量机制

• 信号量:其实就是一个变量，可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量，比如：系统中只有一台打印机，就可以设置一个初值为1的信号量
• 一对原语：wait(S)原语和signal(S)原语，括号里的信号量S其实就是函数调用时传入的一个参数。wait(S)、signal(S) 两个操作分别写为P(S)、V(S)
• 对信号量的操作只有三种：初始化、P操作、V操作

4.1 整型信号量

用一个整数型的变量作为信号量，用来表示系统中某种资源的数量。

4.2 记录型信号量

• P(S)：申请一个资源S，如果资源不够就阻塞等待。
• V(S)：释放一个资源S，如果有进程在等待该资源，就唤醒一个进程。
• P、V操作必须成对出现。缺少P(mutex)就不能保证临界资源的互斥访问。缺少V(mutex)会导致资源永不被释放，等待进程永不被唤醒。

4.3 信号量机制实现

4.3.1 实现进程互斥

4.3.2 实现进程同步

• 实现同步的过程：
  • 若先执行到V(S)操作，则S++后S=1,释放一个资源S。之后当执行到P(S)操作时，由于S=1，表示有可用资源，会执行S--，S=0，P2进程不会执行block原语，而是继续往下执行代码4，5，6。
  • 若先执行到P(S)操作，由于S=0，S--后S=-1，表示此时没有可用资源，因此P操作中会执行block原语，主动请求阻塞。之后当执行完代码2，继而执行V(S)操作，S++，使S变回0，由于此时有进程在该信号量对应的阻塞队列中，因此会在V操作中执行wakeup原语，唤醒P2进程。这样P2就可以继续执行代码4了

4.3.3 实现进程的前驱关系