忙等待中的互斥

Posted 2020-11-17 rookielearn

竞争条件：两个或多个进程读取某些共享数据，最后的结果取决于进程运行的精确时序，成为竞争条件。

互斥：当一个进程在使用一个共享变量或文件时，其他进程不能做同样的操作。

临界区：对共享内存进行访问的程序片段成为临界区。

实现互斥，避免竞争条件的方法：

1 屏蔽中断，cpu将不会切换到其他进程。但不适合多核系统，而且把屏蔽中断的权利交给用户进程是不明智的。

2 锁变量，初始为0，有进程想进入临界区时，先对锁变量测试，为0则进，进入后将其设为1。0表示临界区没进程，1代表已有进程进入临界区。但是仍存在问题，当进程a把锁变量设为1之前恰好又有进程b进入临界区，临界区将有2个进程。

3 严格轮换法 

忙等待：连续测试一个变量直到某个值出现为止，称为忙等待。

自旋锁：用于忙等待的锁成为自旋锁。

原理：

turn变量初始为0，进程0进入临界区，进程1忙等待，直到进程0离开临界区，并将turn设为1，然后进程1进入临界区，当进程1也离开临界区时，又把turn设为0，接着进程0再次进入临界区，以此类推。由于这种方法需要两者交替进行，如果进程0退出临界区时，turn设为1，但是进程1一直在处理非临界区的工作，进程0只有一直忙等待，直到进程1将turn设为0。这说明，在一个进程比另一个进程慢很多的情况下，轮流进入临界区不是好方法。

 

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1. while(true){  
2.     while(turn!=0);  
3.     critical_region();  
4.     turn=1;  
5.     noncritical_region();  
6. }  
7. /////////////////////////////////  
8. while(true){  
9.     while(turn!=1);  
10.     critical_region();  
11.     turn=0;  
12.     noncritical_region();  
13. }  

 

 

4 peterson解法

开始时临界区中无进程，假设进程0想进入临界区，进程1不想进入临界区，则进程0调用enter_region()后直接进入临界区，现在进程1想进入临界区，它要在此处挂起并等到进程0调用leave_region()离开临界区后才能进入临界区。如果两个进程同时想进入临界区并调用enter_region()，都把自己的进程号存入turn，则后存入的进程号会覆盖前写入的turn，则前进入的进程会进入临界区。 后进入的进程忙等待直到前一个进程退出临界区。 

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1. #define N 2  
2. #define FALSE 0  
3. #define TRUE 1  
4. int turn;  
5. int interest[N]={FALSE};//所有值初始为0   
6. void enter_region(int process){  
7.     interest[process]=TRUE;  
8.     turn=process;  
9.     int other=1-process;  
10.     while(turn==process&&interest[other]==TRUE);  
11. }  
12. void leave_region(int process){  
13.     interest[process]=FALSE;  
14. }  

 

5 TSL指令（测试并加锁）

将一个内存字读取到寄存器RX中，然后在该内存地址设置一个非0值，并保证读写操作不可分割。其它cpu不能在TSL指令结束之前访问该内存字。 执行TSL指令（test and set lock）的cpu将锁住内存总线，防止其它cpu在此指令完成前访问内存。

和屏蔽中断不同，屏蔽中断不能影响第二cpu对内存的访问。锁住总线可以可以确保总线由锁住它的处理器使用，而其它处理器不使用。

具体方法：使用一个共享变量lock，lock为0时任何进程都能使用TSL指令，并将lock设为1，读写共享内存；操作结束后，利用move指令将lock重新设为0. 

一个替代TSL指令是XCHG指令，原子性的交换两个位置的内容。本质上和TSL解法一样。

peterson，TSL或XCHG都是正确的，但是它们都有忙等待的缺点：

1 浪费cpu时间

2 优先级反转问题：例如H进程优先级高，L进程优先级低 ，假设L处于临界区中，H这时转到就绪态想进入临界区，H需要忙等待直到L退出临界区，但是H就绪时L不能调度，L由于不能调度无法退出临界区，所以H永远等待下去。