五、并发：互斥与同步（二）

4.2实现互斥的方法

Dekker算法

1965年的荷兰数学家T.J.Dekker
避免“无原则”的礼让
规定各程序进入临界区的顺序
全局数组变量flag表示进入临界区的“意愿”
全局变量turn解决进入顺序
算法的问题
- 逻辑复杂
- 正确性难证明
- 存在轮流问题
- 存在忙等待

Peterson算法

1981年数学家G.L.Peterson
简单出色（不存在轮流问题）
flag和turn含义与Dekker相同
先设turn=别人，只有“flag[别人]”和“turn=别人”同时为真时才循环等待

硬件实现方法

中断禁用
- 中断禁用（关中断）原理
  - 单CPU体系结构
  - 如果进程访问临界资源时（执行临界区的代码）不被中断，就能保证互斥的访问
- 途径
  - 使用关/开中断指令
  - x86的开/关指令为STI/CLI
- 限制了处理器交替执行各程序的能力，不能用于多核处理器结构
专用指令
- 适用范围
  - 单处理器或共享主存多核处理器结构
  - 对统一存储单元的访问是互斥的
- 软件算法第二种尝试失败的原因：检测flag[1]和置位flag[0]在一个指令周期完成不会出错
TestSet指令（TS）
- 定义（逻辑）————比较并交换指令的bool特例
- 原子指令
- 指令功能
  - 测试内存变量var1某一位的值：
    - 0：设置标志寄存器的zf标志置位(1)，而且var1这位变1
    - 1：设置标志寄存器的zf标志复位(0)，而且var1这位变1
- 解决方案
  - 利用TestSet实现锁机制
  - 锁机制自旋锁
    - 内核自用的一种互斥机制
    - 一个锁变量（其实是一个二进制位）lockbit
    - 加锁操作lock
    - 解锁操作unlock
exchange指令
- 定义：交换一个寄存器和内存单元的内容
- 原子操作
- x86 CPU的对应指令为XCHG
- 指令功能：根据寄存器reg1与内存单元var1的值对换，并根据结果设置标志寄存器的z标志。
- 利用xchg实现锁机制
- 互斥方法
  - 设置锁变量lockvar，初值为0
  - 临界区前，lock
  - 临界区后，unlock

机器指令方法的优缺点

优点
- 适用于单处理器或共享多核处理器系统，进程数量随意
- 简单且易于证明
- 可以使用多个变量支持多个临界区
缺点
- 忙等待/自旋等待
- 可能饥饿
- 可能死锁

常用并发机制

4.3信号量

信号量机制
- 荷兰计算机科学家 E. W. Dijkstra提出 (1965)，解决并发进程问题的第一个重要进展，需操作系统支持
- 两个或多个进程可以通过传递信号进行合作，从而可以迫使进程在指定位置暂停，直到它接收到特定信号
- 信号量机制可以满足任何复杂的合作要求
- 信号量值用来表示可用资源数目（非负整数）
信号量机制的组成
- 操作系统提供的用于线程并发控制的特殊数据结构
- 含有一个非负整数变量和三个专门操作
  - 初始化：通常将信号量的值初始化为非负整数（=可用资源数）
  - P操作/semWait操作/Down操作
    - 信号量值减1
    - 若信号量的值变成负数，则请求执行P操作的进程被阻塞
  - V操作/semSignal操作/Up操作
    - 信号量值加1
    - 如果信号量的值不是正数（其绝对值=现在被阻塞的进程数[等待队列长度]），则使一个因执行P操作阻塞的进程接触阻塞（唤醒）
除此之外，无其他检查和修改信号量值的操作
信号量和P、V原语的描述
二元信号量
- 信号量的值只能是0或者1
- 和一般信号量具有相同的表达能力
- 因count不能小于0，需要其他方法判断等待队列是否为空
- 二元信号量的操作和原语描述
信号量的实际含义
- 信号量s（s.count)的初值
  - 系统中某些资源的数目，应该≥0
- 进程执行P（s）/semWait（s）操作
  - 申请一个单位的资源（s.count--）
  - 若s.count < 0，资源已经分配完毕，进程被系统阻塞在s的队列上----让权等待
- 进程执行V（s）/semSignal（s）操作
  - 释放一个单位资源（s.count++）
  - 若s.count≤0，则唤醒一个等待进程
- s.count
  - ≥0：可用的资源数/可以执行P（s）而不会阻塞的进程数
  - <0：|s.count|为在队列中等待的进程数
信号量的实现
- 基本要求：保证P和V操作的原子性，实现信号量操作的互斥
- 软件方案：Dekker算法、Peterson算法
- 硬件支持方案：可以采用TS指令、关中断
信号量的TestSet指令实现
信号量的关中断实现
信号量的优缺点
- 优点：简单，表达能力强，用P、V操作可解决多种类型的同步、互斥问题
- 缺点：不够安全、P、V操作使用不当可能产生死锁，遇到复杂的同步问题时实现复杂
信号量机制的应用
- 实现互斥
- 进程同步
- 生产者-消费者问题
- 读者-写者问题
- 其他

4.3.1用信号量实现互斥/同步

实现互斥
- n个进程访问同一个共享资源
- 设置信号量s，初始化为1
- 每个进程进入临界区之前执行P操作
- 进程离开临界区时执行V操作
- 保证最多只有一个进程在临界区，从而实现共享资源的互斥访问

实现同步
- 进程的同步
  - 系统中一些进程需要相互合作共同完成一项任务：一个进程运行到某一点时需要另一伙伴进程提供消息
  - 未获得消息之前，该进程属于阻塞状态，获得消息后被唤醒进入阻塞态
- 用信号量解决同步关系的方案
  - 两个进程P1、P2，分别有操作a和b，a先于b执行
  - 设置信号量s，初始化0或具体资源限制值
  - 进程P1的操作a后执行V操作
  - 进程P2的操作b前执行P操作
  - 每执行一次操作a后，才可以执行b操作，从而实现进程同步
- 用信号量实现进程同步（例）
  - 三个进程并发运行，合作完成数据输入、计算和打印输出工作
    - 进程Pi将输入的数据写入缓冲区B1
    - 进程Pc读出B1中的数据，完成计算，把结果写入缓冲区B2
    - 进程Pp读出B2中的结果，打印输出
    - 同步要求：（读出数据后缓冲区为空）
      - 先写后读（不能读空缓冲区）
      - 未读完不能写（不能写非空缓冲区）
  - 四个信号量empty1、full1、empty1、full2，初始值分别为1、0、1、0（两个缓冲区都为空）