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操作系统——同步与互斥

news 2025/9/6 13:00:58

1.同步与互斥的概念

1.1临界资源

1.2同步

1.3互斥

2.实现临界区互斥的基本方法

2.1软件实现方法

1）单标志法

2）双标志先检查法

3）双标志后检查法

4）Peterson 算法

2.2硬件实现方法

1）中断屏蔽方法

2）硬件指令方法—TestAndSet指令

3）硬件指令方法—Swap指令

3.互斥锁

1.同步与互斥的概念

虽然多个进程可以共享系统中的各种资源，但其中许多资源一次只能为一个进程所用，一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源，许多物理设备都属于临界资源，如打印机等。此外，还有许多变量、数据等都可以被若干进程共享，也属于临界资源。

1.1临界资源

对临界资源的访问，必须互斥地进行，在每个进程中，访问临界资源的那段代码称临界区，为了保证临界资源的正确使用，可将临界资源的访问过程分成4个部分：

1)进入区。为了进入临界区使用临界资源，在进入区要检查可否进入临界区，若能进入临界区，则应设置正在访问临界区的标志，以阻止其他进程同时进入临界区。 2)临界区。进程中访问临界资源的那段代码，又称临界段。
3)退出区。将正在访问临界区的标志清除。
4)剩余区。代码中的其余部分。

1.2同步

同步亦称直接制约关系，是指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要协调它们的运行次序而等待、传递信息所产生的制约关系。

例如，输入进程A通过单缓冲向进程B提供数据。当该缓冲区空时，进程B不能获得所需数据而阻塞，一旦进程 A 将数据送入缓冲区，进程B就被唤醒。反之，当缓冲区满时，进程 A被阻塞，仅当进程B取走缓冲数据时，才唤醒进程A。

1.3互斥

互斥也称间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，当占用临界资源的进程退出临界区后，另一进程才允许去访问此临界资源。

例如，在仅有一台打印机的系统中，有两个进程A和进程B，若当进程A需要打印时，系统已将打印机分配给进程B，则进程A必须阻塞。一旦进程B将打印机释放，系统便将进程A唤醒，并将其由阻塞态变为就绪态。

实现临界区互斥必须遵循的准则

1）空闲让进。临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区。

2）忙则等待。当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待。

3）有限等待。对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区，防止进程无限等待。

2.实现临界区互斥的基本方法

2.1软件实现方法

1）单标志法

该算法设置一个公用整型变量turn，指示允许进入临界区的进程编号，当turn=0时，表示允许P0进入临界区；当turn=1时，表示允许P1，进入临界区。即可以使用while关键字实现。

while(turn!=0);

while(turn!=1);

2）双标志先检查法

该算法设置一个布尔型数组 flag[2]，用来标记各个进程想进入临界区的意愿，flag[i]=true 表示Pi想要进入临界区(i=0或1)。Pi进入临界区前，先检查对方是否想进入临界区，若想，则等待；否则，将 flag[i]置为true后，再进入临界区；当Pi退出临界区时，将flag[i]置为false。

//进程 P0：

while(flag[1]);//进入区

flag[0]=true;//进入区

critical section;//临界区

flag[0]=false;//退出区

remainder section;//剩余区

//进程 P1：

while(flag[0]);//进入区

flag[1]=true;//进入区

critical section；//临界区

flag[1]=false;//退出区

remainder section;//剩余区

3）双标志后检查法

算法二（双标志先检查法）先检查对方的标志，再设置自己的标志，但这两个操作又无法一气呵成，于是使得两个进程同时进入临界区的问题。因此，想到先设置后检查法，以避免上述问题。算法三先设置自己的标志，再检查对方的标志，若对方的标志为tue，则等待；否则，进入临界区。

//进程 P0：

flag[0]=true;//进入区

while(flag[1]);//进入区

critical section;//临界区

flag[0]=false;//退出区

remainder section;//剩余区

//进程 P1：

flag[1]=true;//进入区

while(flag[0]);//进入区

critical section；//临界区

flag[1]=false;//退出区

remainder section;//剩余区

4）Peterson 算法

Peterson 算法结合了算法一和算法三的思想，利用 flag[]解决互斥访问问题，而利用 turn 解决“饥饿”问题。若双方都争着进入临界区，则可让进程将进入临界区的机会谦让给对方。也就是说，在每个进程进入临界区之前，先设置自己的flag标志，再设置允许进入turn 标志；之后，再同时检测对方的 flag 和 turn 标志，以保证双方同时要求进入临界区时，只允许一个进程进入。

//进程 P0：

flag[0]=true;//进入区

turn=1;//进入区

while(flag[1] && turn==1);//进入区

critical section;//临界区

flag[0]=false;//退出区

remainder section;//剩余区

//进程 P1：

flag[1]=true;//进入区

turn=0;//进入区

while(flag[0] && turn==0);//进入区

critical section；//临界区

flag[1]=false;//退出区

remainder section;//剩余区

2.2硬件实现方法

1）中断屏蔽方法

当一个进程正在执行它的临界区代码时，防止其他进程进入其临界区的最简单方法是关中断。因为CPU只在发生中断时引起进程切换，因此屏蔽中断能够保证当前运行的进程让临界区代码顺利地执行完，进而保证互斥的正确实现，然后执行开中断。

2）硬件指令方法—TestAndSet指令

借助一条硬件指令—TestAndSet 指令（简称 TS 指令）实现互斥，这条指令是原子操作。其功能是读出指定标志后将该标志设置为真。

boolean TestAndSet(boolean *lock){

boolean old;

old=*lock;//old 用来存放 lock 的旧值

*1ock=true;//无论之前是否已加锁，都将lock置为 true

return old;//返回 lock 的旧值

}

3）硬件指令方法—Swap指令

Swap 指令的功能是交换两个字(字节)的内容。

Swap(boolean *a，boolean *b){

boolean temp=*a;

*a=*b;
*b=temp;

}

3.互斥锁

解决临界区最简单的工具就是互斥锁(mutex lock)。一个进程在进入临界区时调用 acquie()函数，以获得锁；在退出临界区时调用release()函数，以释放锁。每个互斥锁有一个布尔变量available，表示锁是否可用。如果锁是可用的，调用 acquire()会成功，且锁不再可用。当一个进程试图获取不可用的锁时，会被阻塞，直到锁被释放。