操作系统知识点回顾—互斥和同步

约定不等于承诺〃 2021-09-21 03:04 441阅读 0赞

### 一、概念 ###

**1.同步**

指在不同进程之间的若干程序片断，它们的**运行必须严格按照规定的某种先后次序来运行**，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。如果用对资源的访问来定义的话，同步是指在互斥的基础上（大多数情况），**通过其它机制实现访问者对资源的有序访问**。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

**2.互斥**

指散布在不同进程之间的若干程序片断，当某个进程运行其中一个程序片段时，其它进程就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该进程运行完这个程序片段后才可以运行。如果用对资源的访问来定义的话，**互斥某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问**，具有唯一性和排它性。**但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。**

**3.多线程同步和互斥有几种实现方法**

线程间的同步方法大体可分为两类：**用户模式和内核模式**。顾名思义，内核模式就是指利用系统内核对象的单一性来进行同步，使用时需要切换内核态与用户态，而用户模式就是不需要切换到内核态，只在用户态完成操作。

用户模式下的方法有：原子操作（例如一个单一的全局变量），临界区。

内核模式下的方法有：事件，信号量，互斥量。

*  临界区：通过对**多线程的串行化来访问公共资源或一段代码**，速度快，适合控制数据访问。
 *  互斥量：为协调共同对**一个共享资源**的单独访问而设计的。
 *  信号量：为控制一个具有**有限数量用户资源**而设计。
 *  事 件：用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始。

**4.死锁**

定义: 如果一组进程中的每一个进程都在等待仅由该组进程中的其他进程才能引发的事件，那么该组进程就是死锁的。或者在两个或多个并发进程中，如果每个进程持有某种资源而又都等待别的进程释放它或它们现在保持着的资源，在未改变这种状态之前都不能向前推进，称这一组进程产生了死锁。通俗地讲，就是两个或多个进程被无限期地阻塞、相互等待的一种状态。

产生死锁的必要条件：

*  **互斥条件 (Mutual exclusion)**：资源不能被共享，只能由一个进程使用。
 *  **请求与保持条件 (Hold and wait)**：已经得到资源的进程可以再次申请新的资源。
 *  **非抢占条件 (No pre-emption)**：已经分配的资源不能从相应的进程中被强制地剥夺。
 *  **循环等待条件 (Circular wait)**：系统中若干进程组成环路，该环路中每个进程都在等待相邻进程正占用的资源。

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### 二、信号量 ###

信号量：用于**进程间传递信号的一个整数**。在信号两上只可以进行三种操作，即**初始化，递增，递减**。这三种操作分别都是原子操作。递减作用于阻塞一个进程，递增作用于解除一个进程的阻塞。信号量也称为计数信号量或一般信号量。

信号量是不要求忙等的同步互斥工具。一种信号量表示一种资源。信号量的值表示可用资源的个数。  
当资源不可用时，进程将阻塞（避免忙等）（加入阻塞队列），直到另一进程释放资源时才被唤醒。

信号量 s 只能被下面的两个原语访问：

*  semWait (s) 也称作 P (s) 操作，wait (s) —— 本进程请求分配一个资源
 *  semSignal (s) 也称作 V (s) 操作，signal (s) —— 本进程释放一个资源

注意：

*  semWaits (s)、semSignal (s) 操作必须 **成对出现**。
 *  用于 互斥时，位于同一进程内，临界区前后。
 *  用于 同步时，交错出现于两个合作进程内。
 *  **多个 semWait () 的次数 不能颠倒，否则可能导致死锁**。用于同步的 semWait (s1) 应出现在用于互斥的 semWait (s2) 之前。
 *  多个 semSignal () 操作的次序可任意。

**【信号量代码示例】**

struct	semaphore { 
    	
    	int count;
    	queueType queue;
    };
     
    void semWait(semaphore s){ 
    	s.count--;
    	if(s.count < 0){ 
    		/*把当前进程插入队列*/
    		/*阻塞当前进程*/
    	}
    }
     
    void semSignal(semaphore s){ 
    	s.count++;
    	if(s.count <= 0){ 
    		/*把进程p从队列中移除*/
    		/*把进程p插入就绪队列*/
    	}
    	
    }

总结：V 原语操作的本质在于：一个进程使用完临界资源后，释放临界资源，使 S 加 1，以通知其它的进程，这个时候**如果 S<=0，表明有进程阻塞在该类资源上，因此要从阻塞队列里唤醒一个进程来 “转手” 该类资源。**

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**【用信号量实现互斥】**

const int n = /*进程数 */;
    semaphore s =1;/*s的初值=1*/
    void P(int i){ 	/*进程Pi*/
    	while(true){ 
    		semWait(s);
    		/*临界区*/
    		semSignal(s);
    		/*其他部分*/
    	}
    }
    void main(){ /*n个进程并发*/
    	parbegin(P(1),P(2),...,P(n));
    }
    
    // s=1 时：有一个临界资源可用，一个进程可进入临界区。
    // s=0 时：临界资源已分配，一个进程已进入临界区。
    // s<0 时：临界区已被占用，|s | 个阻塞进程正在等待进入。

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**【用信号量实现同步】**

semaphore s =0;/*s的初值=0*/
    Process	P1:
    do{ 
    	......
    	代码段A；
    	semSignal(s);
    }
    Process P2:
    do{ 
    	semWait(s)
    	代码段B；
    	......
    }
    
    // s>=0：可用资源个数（或可进入临界区的进程个数）。
    // s<0 : 该资源的等待队列长度（阻塞进程个数）。

**总结：同步是合作的并发进程需要按先后次序执行。**

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### 三、生产者 / 消费者问题 ###

**1.定义**

一组生产者进程和一组消费者进程**共用**一个有 size of buffer 个**缓冲区**的缓冲池来交换数据（有限缓冲）。

**2.资源，约束条件及信号量的设置**

*  缓冲池一次只能让一个进程访问。（互斥）：设一信号量 s，初值为 1。
 *  生产者需要**空缓冲**来发送数据。（同步）：设一信号量 empty，初值为 size of buffer。
 *  消费者需要**满缓冲**来获取数据。（同步）：设一信号量 full，初值为 0。

**3.【代码示例】**

void producter(){ 
    	while(true){ 
    		semWait(empty);
    		semWait(s);
    		/*把数据送到缓冲区*/
    		semSignal(s);
    		semSignal(full);
    	}
    }
     
    void consumer(){ 
    	while(true){ 
    		semWait(full);
    		semWait(s);
    		/*从缓冲区取出数据*/
    		semSignal(s);
    		semSignal(empty);
    	}
    }

**说明：wait(s)和signal(s)是保证临界区的互斥，而empty和full信号量是保证生产者消费者线程的同步。**