操作系统 —— 同步机制

基础概念

进程互斥
由于各进程要求使用共享资源（变量、文件等），而这些资源需要排它性使用，各进程之前竞争使用这些资源 —— 这一关系称为进程互斥。
临界资源
系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量。
临界区（互斥区）
各个进程中对某个临界资源（共享变量）实施操作的程序片段。

临界区的使用规则

没有进程在临界区时，想进入的临界区可进入
不允许两个进程同时处于其临界区中
临界区外运行的进程不得阻塞其它进程进入临界区
不得使进程无限期等待进入临界区

实现临界区互斥的方案

软件方案 Dekker 解法，Peterson 解法
硬件方案屏蔽中断，TSL、XCHG 指令

进程互斥的解决方案

软件解法

Dekker 算法
1965年，第一个软件解法
Peterson算法
1981年

enter_region(i);
//code
leave_region(i);

硬件解法

1 中断屏蔽法

“开关中断”指令

算法
① 执行关中断指令
② 临界区操作
③ 执行开中断指令

特点

简单，高效
代价高，限制CPU并发能力（临界区大小）
不适用于多处理器
适用于操作系统本身，不适用用户进程

2 “测试并加锁”指令

TSL指令：TEST AND SET LOCK

TSL执行前把总线锁住，结束后把总线打开

enter_region:
    TSL REGISTER,LOCK   ;复制锁到寄存器并将锁置1
    CMP REGISTER,#0     ;判断寄存器内容是否是0
    JNE enter_region    ;若不是0，跳转到enter_region
    RET                 ;返回调用者，进入了临界区
leave_region:
    MOVE LOCK,#0        ;在锁中置0
    RET                 ;返回调用者

3 “交换”指令

XCHG指令：EXCHANGE
（类似于 TSL 指令）

enter_region:
    MOVE REGISTER,#1    ;给寄存器存1
    XCHG REGISTER,LOCK  ;交换寄存器和锁变量的内容
    CMP REGISTER,#0     ;判断寄存器内容是否是0
    JNE enter_region    ;若不是0，跳转到enter_region
    RET                 ;返回调用者，进入了临界区
leave_region:
    MOVE LOCK,#0        ;在锁中置0
    RET                 ;返回调用者

忙等待(busy waiting)
进程在得到临界区访问权之前持续作测试而不做其它事情。

自旋锁(Spin Lock)
适用于多处理器，通过忙等待减少进程切换的开销

进程同步

进程同步指系统中多个进程中发生的事件存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成某一项任务。

信号量及 PV 操作

一种卓有成效的进程同步机制。1965年，由荷兰学者Dijkstra提出。定义如下：

struct semaphore{
    int count;
    queueType queue;
}

对信号量可以实施的操作：初始化、P和V

P、V分别是荷兰语的test(proberen)和increment(verhogen)
P,down,semWait
V,up,semSignal
PV操作为原语操作（primitive or atomic action）

用PV操作解决进程间互斥问题

分析并发进程的关键活动，划定临界区
设置信号量mutex，初值为1
在临界区前实施P(mutex)
在临界区后实施V(mutex)

P(s){
    s.count--;
    if(s.count < 0){
        //该进程状态置为阻塞状态；
        //将该进程插入相应的等待队列s.queue末尾；
        //重新调度；
    }
}

V(s){
    s.count++;
    if(s.count <= 0){
        //唤醒相应等待队列s.queue中等待的另一个进程
        //改变其状态为就绪态，并将其插入就绪队列
    }
}

信号量解决生产者消费者问题

void producer(void){
    int item;
    while(TRUE){
        item = produce_item();
        P(&empty);
        P(&mutex);
        insert_item(item);
        V(&mutex);
        V(&full);
    }
}

void consumer(void){
    int item;
    while(TRUE){
        P(&full);
        P(&mutex);
        item = remove_item();
        V(&mutex);
        V(&empty);
        consume_item(item);
    }
}

信号量解决读者写者问题

问题描述：
多个进程共享一个数据区，这些进程分成两组

读者进程：只读数据区中的数据
写者进程：只往数据区写数据

要求满足条件：

允许多个读者同时执行读操作
不允许多个写者同时操作
不允许读者、写者同时操作

第一类读者写者问题：读者优先

void reader(void){
    while(TRUE){
        P(mutex);
        rc = rc + 1;
        if(rc == 1) P(w);
        V(mutex);

        P(mutex);
        rc = rc - 1;
        if(rc == 0) V(w);
        V(mutex);
    }
}

void writer(void){
    while(TRUE){
        P(w);
        写操作
        V(w);
    }
}

管程

HOARE 管程

基本原理

因为管程是互斥进入的，所以当一个进程试图进入一个已被占用的管程时，应当在管程的入口处等待。为此，管程的入口处设置一个进程等待队列，称为 入口等待队列。如果进程P唤醒进程Q，则P等待Q执行；如果进程Q执行过程中又唤醒进程R，则Q等待R执行。如此，在管程内部可能会出现多个等待进程。在管程内也需要设置一个进程等待队列，称为 紧急等待队列，紧急等待队列优先级高于入口等待队列。

条件变量的实现

条件变量 —— 在管程内部说明和使用的一种特殊类型的变量。对于条件变量，可以执行wait/signal操作。

wait(c):
如果紧急等待队列非空，则唤醒第一个等待者；否则释放管程的互斥权，执行此操作的进程进入c链末尾。

signal(c):
如果c链为空，则相当于空操作，执行此操作的进程继续执行；否则唤醒第一个等待者，执行此操作的进程进入紧急等待队列的末尾。

MESA 管程

介绍

Hoare 管程的缺点 —— 两次额外的进程切换。

MESA 管程的解决：
signal -> notify
notify：当一个正在管程中的进程执行 notify(x) 时，它使得x条件队列得到通知，发信号的进程继续执行。

基本原理

当 x条件队列得到通知时，位于条件队列头的进程将在合适的时候且当处理器可用时恢复执行。由于不能保证在它之前没有其它进程进入管程，因为这个进程必须重新检查条件（需要使用 while 循环）。

进程间通信

信号量及管程的不足：不适用多处理器的情况。

基本通信方式
消息传递、共享内存、管道以及远程过程调用RPC

linux 内核同步机制

原子操作、自旋锁、读写自旋锁、信号量、读写信号量、互斥体、完成变量、顺序锁、屏障

原子操作

atomic_t v = atomic_init(0);

atomic_set(&v,4);
atomic_add(2,&v);
atomic_inc(&v);
printk("%d\n",atomic_read(&v));

屏障
一组线程协同完成一项任务，需要所有线程都到达一个汇合点后再一起向前推进。

posted on 2020-12-06 17:24 Lemo_wd 阅读(511) 评论(0) 收藏举报

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