【OS笔记07】：进程和线程5-进程的同步与互斥

3.5 进程的同步与互斥

一、基本概念

1. 进程的同步与互斥

• 并发关系：在并发系统中，各个进程由于共享资源、进程协作，会产生相互制约或依赖的关系。这种关系表现为：相互协作的同时，竞争着有限的资源。
• 两种制约关系：
  • 同步 (Synchronization)：进程间为了完成一个共同的目标，彼此存在相互合作的协同工作关系、有先后次序的直接制约关系。
  • 互斥 (Mutual Exclusion)：多个进程因不能同时访问临界资源而产生的间接制约关系。
• 重要性：在多道系统中，进程能否正确执行不仅取决于自身的正确性，能否与其他进程实现正确的同步和互斥也十分重要。

2. 临界资源和临界区

• 临界资源：一次只允许一个进程使用的资源。例如：打印机、共享变量等。若多个进程共享一个临界资源，则必须以互斥的方式使用。
  • 例子：公用变量v，进程A要向v中写入数据，进程B要从v中读取数据，则v是A,B的临界资源，要交替使用。
• 临界区：访问临界资源的程序区域称为临界区。

3. 进入临界区的准则

1. 忙则等待：每次至多有一个进程处于临界区。
2. 空闲则入：当有若干个进程欲进入临界区时，应在有限的时间内使其进入。
3. 有限等待：进程在临界区内仅逗留有限的时间。

二、进程同步与互斥的异同

• 相同点：两者都是并发进程在执行的时间顺序上，相互制约的表现。
• 不同点：
  1. 顺序：互斥的进程不规定进入临界区的先后顺序；同步的进程必须按照严格的先后次序执行。
  2. 感知：互斥的进程一般不知道对方存在；同步进程不仅知道对方存在，还需要与之通信。

例子：进程的同步

• 场景：计算进程和打印进程共享一个单缓冲区域，以完成计算和打印输出。
• 流程：
  1. 当计算进程完成计算，向缓冲区输出结果后；
  2. 计算进程向打印进程发送信号；
  3. 打印进程立即工作并打印结果；
  4. 打印进程取走结果后，向计算进程发出信号；
  5. 计算进程又可以把后续的计算结果写入缓冲区。

三、实现互斥的方法

1. 用锁操作原语实现互斥

为每类临界资源设置一个“锁”，即定义一个变量W：

• w = 1：表示锁打开。

• w = 0：表示锁关闭。

• 关锁原语 lock(w)：

  while (w == 0);
  w = 0;
  

  作用：当W=0时，反复测试w的值，只有当W=1时，才执行后面的程序段。

• 开锁原语 unlock(w)：

  w = 1;
  

• 思考：这种方法能否解决同步问题？

  • 答案是不能。

• 锁机制的缺点：

  1. 浪费CPU时间：在关锁原语中，会反复测试W的状态，浪费了处理机时间（忙等）。
  2. 功能局限：锁机制只能解决互斥问题，不能解决同步问题。

2. 信号量上的P、V操作原语

1. 信号量 (Semaphore)

信号量是一个由两个元素组成的结构型变量：

• 整型变量：表示该信号量的值。
• 信号量等待队列指针：指向该信号量等待队列中进程的PCB（进程控制块）。

整型变量的取值含义：
设信号量整型变量为S：

• 若 S > 0，表示可用资源的实体个数。
• 若 S < 0，其绝对值表示等待该资源的进程个数。

图片说明：图中展示了一个信号量，其值为-3，表示有3个进程正在等待该资源。指针指向这三个进程的PCB，形成一个等待队列。信号量的指针项可初始化为0，表示队列为空。

2. P、V操作的定义

P,V原语用于改变信号量的值，以达到系统资源的安全访问的目的。

• P(S)：表示有进程请求资源。
• V(S)：表示有进程释放资源。
• 原子性：P,V操作必须是“原语”，在单CPU系统中，通常在封锁中断的条件下执行P,V操作，确保其不可分割。

3. P(S) 操作

顺序执行下述两个动作：

1. 信号量的值减1，即 S = S - 1。
2. 如果 S >= 0，则该进程继续执行；
   如果 S < 0，则：
   • 把该进程状态置为阻塞态。
   • 将其PCB连入该信号量队列的末尾，进行等待。

图片说明：流程图展示了P操作的逻辑。入口后，s.value减1。然后判断s.value是否大于等于0，如果是，则继续执行；如果小于0，则调度进程进入等待队列，并转进程调度。

4. V(S) 操作

顺序执行下述两个动作：

1. S值加1，即 S = S + 1。
2. 如果 S > 0，则该进程继续运行；
   如果 S <= 0，则唤醒信号量队列上的第一个PCB，然后该进程继续运行。
   （注意：S<=0 时表示的是 block 的进程个数，而不是资源个数）

图片说明：流程图展示了V操作的逻辑。入口后，s.value加1。然后判断s.value是否小于等于0，如果否，则继续执行；如果是，则唤醒等待队列中的一个进程，然后返回或转进程调度。