操作系统进程管理——同步与互斥的基本概念

2.3.1　同步与互斥的基本概念

在单处理机上采用多道程序技术，或在多核处理机上并行运行多个执行实体时，多个进程／线程会在时间上交织、在资源上共享。如果没有约束，两个“同时”读写同一份数据、或一方依赖另一方的执行次序，就可能出现结果不可预测的“竞态”。为了解决“怎么安全共享”“怎样按正确次序配合”这两类问题，操作系统引入了“互斥”和“同步”这两个基础概念：前者关注排队使用共享资源，后者关注先后次序的协调。

2.3.1.1　并发会带来什么风险

为了把问题动机说清楚，可以先观察共享与先后两个角度：
（1）共享角度：当两个执行实体几乎同时更新同一条记录、同一段缓冲区或同一计数器时，如果缺少约束，就会发生“你改了一半、我又改了一半”的覆盖，最终状态取决于切换时机，这就是“竞态”。
（2）先后角度：某个操作只有在“准备工作完成”之后才能进行，例如“消费者只能在生产者把数据放入缓冲区之后再取走”。这里的要点不是“排队使用”，而是“等条件成立再继续”。

2.3.1.2　互斥与同步：侧重点有什么不同

为了避免把两个概念混在一起，可以用一句话区分它们的侧重点：互斥解决的是“同一时刻只允许一个执行者进入临界区”；同步解决的是“按照约定的先后关系推进”。二者经常共同出现，但问题抽象不同：
（1）互斥（mutual exclusion）：当存在“临界资源”（一次只能被一个实体使用）时，应当把对该资源的操作放入“临界区”，并保证任意时刻至多一个执行实体位于该临界区。
（2）同步（synchronization）：当存在“先做 A，后做 B”的因果关系时，应当让 B 在“条件满足（A 已完成）”之后再继续，否则就等待。同步可以不涉及共享修改（例如“到点再同时起跑”），也可以与互斥配合使用（例如“先拿锁，再等条件成立”）。

2.3.1.3　临界资源与临界区：如何把问题抽象成可控的结构

为便于操作系统实施控制，通常把“需要排队使用的共享对象”抽象为临界资源，并把对它的访问代码划为四个固定片段：
（1）进入区：尝试获得进入临界区的资格，若条件不满足则等待。
（2）临界区：对临界资源进行实际访问（读写、更新等）。
（3）退出区：离开临界区并释放占用的资格，使他人可以进入。
（4）剩余区：与临界资源无关的其余代码，不受互斥控制。
这种划分把“需要严格保护的核心操作”与“普通操作”清晰分离，便于在进入／退出两个关口上施加机制，既保证正确性，又尽量减少等待范围。

2.3.1.4　正确性应满足哪些基本要求

为了判断一种互斥与同步方案是否“合格”，通常需要满足三项（或等价表述的）基本要求：
（1）互斥性：任何时刻至多一个执行实体在访问同一临界资源。
（2）前进性（无无谓等待）：当临界区空闲且有若干实体希望进入时，选择谁进入的决策应在有限步内作出；不应因为局部无关的实体而无限拖延。
（3）有限等待（避免长期饥饿）：从一个实体提出进入请求起，至多在有限次他人进入之后就能轮到它，不应出现永久等待。
在同步场景下，还要补充一条语义约束：条件满足性——只有在规定的条件成立时，后续动作才能继续执行；当条件尚未成立时，应当等待而不是“空转”。

2.3.1.5　等待的两种形态：忙等与阻塞

当“现在不允许进入临界区”或“条件尚未满足”时，执行实体到底如何等待，会影响系统效率。为了提前建立直觉，可以把等待粗分为两类：
（1）忙等：反复在处理机上检查条件是否为真（自旋），优点是切换快、适合等待时间极短的场景；缺点是占用处理机做“无用功”。
（2）阻塞：把自己挂起到等待队列，处理机让给别人；当条件满足或资源可用时被唤醒。优点是节省处理机时间、系统吞吐更稳；缺点是切换与唤醒有开销，等待很短时可能得不偿失。
后续各小节将分别介绍基于软件／硬件的基本方法以及常用的抽象（锁、信号量、条件变量），它们的差异很大程度上就体现在“忙等或阻塞、在哪里等待、由谁来唤醒”这些细节上。

2.3.1.6　互斥与同步会与哪些系统目标发生拉扯

在实践中，互斥与同步不仅要“讲道理”，还要“算得过账”。为此有三组常见的权衡需要牢记：
（1）正确性与并发度：临界区越大、粒度越粗，越容易保证正确，但并发度越低；相反，临界区细化与按对象分离能显著提升并发度，但实现更复杂。
（2）响应与开销：忙等减少了阻塞／唤醒的切换开销，提高了短等待的响应；阻塞节约了处理机时间，提高了整体吞吐，但增加了切换成本。
（3）公平与效率：严格按照到达顺序服务可以避免饥饿，但可能牺牲局部效率；允许打破顺序（例如优先让短操作先行）能提升吞吐，但需配套机制抑制长期不公平。

2.3.1.7　从概念到工具：后续内容如何衔接

在理解了“为什么要互斥与同步、抽象成什么结构、判据是什么、等待怎么做”之后，就可以进入具体手段。为使学习路径连贯，可以按以下线索展开：
（1）基本实现方法：先用纯软件思路认识互斥的可能与局限，再用硬件原子指令理解“不可分操作”如何帮助构造互斥与同步；
（2）常用抽象：用锁表达“谁能进入临界区”，用信号量把“资源数／许可数”与“等待队列”合二为一，用条件变量表达“等待某个条件成立”的同步语义；
（3）经典场景：在生产者－消费者、读者－写者、哲学家进餐等问题中组合上述抽象，体会“互斥”与“同步”如何同时出现、如何避免饥饿与死锁。

把握这一节的主线，可以用一句话概括为：互斥让共享访问不相撞，同步让先后关系不走样；进入／退出临界区的纪律与等待方式的选择，共同决定了并发程序既正确又高效。