OS学习笔记四：同步机制

Posted 2022-07-26 jiankunking

一、 进程互斥

1、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 资源需要排他性使用各进程之间 竞争使用这些 资源—— 这一关系称为 进程互斥
• 临界资源：critical resource
  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) ) ：critical section(region)
  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

2、临界区（互斥区）使用原则

• 没有进程在临界区时，想进入临界区的进程可进入
• 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他进程进入临界区
• 不得使进程无限期等待进入临界区

3、实现互斥的解决方法

• 软件方案

• Dekker 解法、Peterson 解法

• 硬件 方案

• 屏蔽中断、TSL(XCHG) 指令

二、进程同步

1、进程同步

进程同步：synchronization 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，共同完成一项任务

具体地说，一个进程运行到某一点时，要求另一伙伴进程为它提供消息，在未获得消息之前，该进程进入阻塞态，获得消息后被唤醒进入就绪态

三、信号量及PV操作

1、信号量及PV操作

• 一个特殊变量
• 用于进程间传递 信 息 的 一个整数值
• 定义如下：

struc 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) ）

2、p、v操作定义

P( s )

    s.count--;
    if ( s.count < 0

P( s )

    s.count--;
    if ( s.count < 0

3、有关说明

• P 、V 操作为原语 操作(primitive or atomic action)
• 在 信号量上定义了三个操作：初始化( 非负数) 、P 操作、V 操作
• 最初提出的是二元信号量 （解决互斥 ）之后， 推广 到一般信号量（多值）或计数信号量（解决同步）

四、管程的基本概念

1、管程的定义

• 是一个特殊的模块
• 有一个名字
• 由关于共享资源的数据结构及在其上操作的一组过程组成

2、进程与管程

进程 只能通过调用 管程中的过程 来间接地访问管程中的数据结构

3、管程需要保证什么？

• 作为一种同步机制，管程要解决两个问题
• 互斥

• 管程是 互斥 进入 的（为了保证管程中数据结构的数据完整性）
• 管程的互斥性是由编译器负责保证的

• 同步

• 管程中设置 条件 变量及等待/ 唤醒操作 以 解决同步问题
• 可以让一个进程或 线程在 条件变量上等待（此时，应先释放管程的使用权），也可以通过发送信号将等待在条件变量上的进程或线程唤醒

五、管程小结

• 管程 ： 抽象数据类型

• 有一个明确定义的操作集合，通过它且只有通过它才能操纵该数据类型的实例

• 实现管程结构必须保证下面几点：

• （1）只能通过管程的某个过程才能访问资源；
• （2） 管 程是互斥的 ， 某个时刻只能有一个进程或线程调用 管程中 的过程

• 条件变量：为 提供进程与其他进程通信或同步 而引入

• wait/signal 或 wait/notify 或 wait/broadcast

六、进程间通信

1、基本通信方式

• 消息传递
• 共享 内存
• 管道
• 套接 字
• 远程过程调用

2、原子操作

• 不可分割，在执行完之前不会被其他任务或事件中断
• 常用于实现资源的引用计数

3、屏障（BARRIER）

• 一种同步机制( ( 又称栅栏、关卡) )
• 用于对一组线程进行协调
• 应用场景

• 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

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