四、并发：互斥与同步（一）

主要内容

• 并发原理
• 互斥的软硬件实现
• 信号量
• 管程
• 消息传递
• 读者-写者问题

操作系统设计的核心问题

• 进程与线程的管理
  • 多道程序设计技术————管理单【核】处理器系统中的多个进程
  • 多处理技术————管理多【核】处理器系统中的多个进程
  • 分布式处理技术————管理多台分布式计算机系统中的多个进程
• 并发 多道程序/多任务处理
  • 所有问题的基础/根源
  • 操作系统设计的基础
• 并发发生的场合
  • 多个应用程序（多道）
  • 结构化应用程序（模块）
  • 操作系统结构（结构化/模块）
• 并发相关术语
  • 临界区：不允许多个进程同时进入的一段访问共享资源的代码
  • 死锁：两个及以上的程序，因每个进程都在等待其他进程操作（如释放资源）而不能继续执行
  • 互斥：一个进程在临界区访问共享资源时，不允许其他进程进入访问
  • 竞态：多个进程/线程读写共享数据，其结果依赖于其执行的相对速度/相对时序
  • 饥饿：可运行进程长期未被调度执行

并发性

• 并发性引发的问题
  • 资源竞争、共享、分配管理困难
  • 难调试（执行结果不可复现）
• 进程的相互作用
  • 通过共享的竞争
  • 通过共享的合作
  • 通过通信的合作
• 进程的互斥机制
  • 软件方法（Dekker算法、Peterson算法）
  • 硬件方法（关中断、专用指令TestSet、Exchange）

4.1并发的原理

• 并发的基本特征
  • 并发
    • 在同一时间段内活动的进程或线程，在此期间，它们可能交替地共享相同的资源
  • 异步性
    • 相对执行速度不可预测
    • 多道程序系统的基本特性
  • 影响进程执行速度的因素
    • 其他进程活动
    • 操作系统处理中断的方式
    • 操作系统的调度策略
  • 问题
    • 全局资源的共享充满危险
    • 操作系统对资源分配的管理难以达到最优
    • 调试程序设计错误非常困难（不可再现性）

4.1.1并发产生的错误

4.1.2竞态

• 在并发环境中发生
• 多个进程共享数据
• 多个进程读取且至少一个进程写入
• 共享数据产生错误结果，具体结果取决于进程执行的相对速度

4.1.3操作系统必须考虑的问题

• 并发环境中跟踪每个进程，知道它们的状态
• 为每个进程分配和回收各种资源
  • 处理机
  • 存储器
  • 文件
  • I/O设备
• 保护进程拥有的数据和物理资源
  • 防止并发竞态发生，保证进程的结果正确，与相对执行速度无关
    • 内核并发发生竞态
    • 用户进程并发竞态

4.1.4进程间的相互作用

• 间接作用
  • 因为共享而竞争
  • 通过共享实现合作
• 直接作用
  • 通过通信的合作

进程间的竞争现象

• 特点
  • 独立设计的进程，每个进程不知道其他进程的存在
  • 两个或更多进程在各自的执行过程中需要访问相同的资源（I/O设备、存储器、CPU、时钟等）
  • 进程之间没有信息交换的要求
• 相互间产生的影响
  • 执行结果不会受影响
  • 执行时间受到影响
• 竞争引发的控制问题
  • 互斥
  • 死锁
  • 饥饿
• 互斥的相关概念
  • 互斥
    • 多个进程需要访问一个共享的资源时，任何时候只能有一个访问这个资源
    • 临界资源
      • 不可操作使用的资源
    • 临界区
      • 访问临界资源的那部分代码
    • 死锁
      • 一组进程中，每个进程都无限等待该组进程中另一进程所占用的资源
    • 饥饿
      • 一组进程中，某个或某些进程无限等待该组进程中其他进程所占用的资源
• 进程间通过共享合作
  • 特点
    • 没有意识到其他进程的存在，需要维护数据的完整性
    • 共享变量、文件或数据库等
  • 相互间产生的影响
    • 执行结果可能会受影响
    • 执行时间受影响
      
  • 共享引发的控制问题
    • 互斥、死锁、饥饿、数据一致性

4.1.5解决互斥问题的要求

• 进程并发，完全自由无约束
• 互斥是并发中防止产生错误的一种模式
• 操作系统解决互斥的机制/方案，要满足一定的条件
  • 具有相同资源或共享对象的临界区的所有进程中，一次只允许一个进程进入临界区

4.1.6解决互斥问题的条件

• 具有相同资源或共享对象的临界区的所有进程中，一次只允许一个进程进入临界区（强制排它）
• 在非临界区停止的进程不干涉其他进程（充分并发）
• 没有进程在临界区中时，任何需要访问临界区的进程必须能够立即进入（空闲让进）
• 不允许出现一个需要访问临界区的进程被无限延迟（有限等待）
• 相关进程的执行速度和处理机数目没有任何要求或限制（满足异步）
• 当进程不能进入临界区，应该立即释放处理机，防止进程忙等待（让权等待）

4.1.7互斥机制应用框架

• N个进程并发，竞争资源Ra
• 每个进程都会有一段代码操作Ra
• 为了确保结果正确，必须互斥操作Ra

4.2实现互斥的方法

• 软件方法：
  • Dekker算法
  • Peterson算法
• 硬件方法
  • TestSet指令
  • Exchange指令
• 操作系统或程序设计语言的支持
  • 信号量
  • 管程
  • 消息机制

第一种尝试：用turn标记位轮转

• 可以保证互斥
• 硬性规定进入的顺序
  • 两个进程轮流进入临界区
• 存在问题
  • 忙等待：为了等待一事件发生，重复执行一段循环代码----白白消耗CPU时间
  • 必须轮流进入临界区----不合理，限制推进速度
  • 如果一个进程失败，另一个进程将被永久阻塞
• 分析：难以满足并发需求

第二种尝试：用flag[i]标志进程i进入临界区

• 每个进程应有自己进入临界区的“钥匙”
  • 进程设置标志表示自己进入和离开
  • 可以检查对方标志
  • 先查对方标志再设置自己进入临界区的标志
• 存在问题
  • 一个进程在临界区内失败，另一进程永远被阻塞
  • 不能保证互斥
• 分析：错误方案，不能保证进程的运行结果与执行速度无关
• 失效示意图
  

第三种尝试：将flag[i]标志的设置，提前到循环等待之前

• 第三种尝试的特点：先表示自己想进入临界区，再检查对方是否已进入
• 可以保证互斥
• 问题：可能导致死锁
• 死锁产生的原因：两个进程都要坚持进入
  

第四种尝试：在循环等待中用延时给其他进程进入的机会

• 解决思路：礼让，等一会
• 可以保证互斥
• 问题：会导致活锁
• 死锁与活锁
  • 死锁：都想进入临界区，但都不能进入
  • 活锁：本来可以进入临界区，但均不能进入
• 活锁时序图