同步与互斥

妖狐艹你老母 2022-08-09 15:54 230阅读 0赞

在多道程序系统中，由于进程并发，资源共享与进程协作，使得进程间可能产生两种形式的制约：

1、间接相互制约：源于资源共享，如果进程ab共享一种资源，如果a请求资源时发现进程b正在访问这种资源，那么进程a就进入阻塞队列，当进程b释放资源，进程a被唤醒到就绪状态

2、直接相互制约：源于进程协作，如果进程a通过单项缓冲向进程b提供数据，当缓冲为空进程b得不到数据而进入阻塞队列，一旦a进程的数据进入缓冲，进程b被唤醒，反之，缓冲满了，则a被阻塞，只有b取走数据后a才能被唤醒

进程同步：同步进程的直接相互制约

进程互斥：源于间接相互制约，资源共享，保证每次只有一个进程访问共享资源

临界资源：一次只允许一个进程访问的资源

临界区：访问临界资源的那段程序

同步准则：空闲就进，遇忙则等，有限等待（对要求进入的进程，应在有限的时间内进入，避免死等），让权等待（对于等待进程要立即释放处理机，避免进程忙等）

实现临界区互斥的基本方法：

1、单标志位：

进程1：

while（turn!=0）;

do\_something

turn = 1;

进程2

while(turn!=1);

do\_something

turn = 0;

算法设置了一个标志位，0时候允许进程1进入临界区，1时候运行进程2进入临界区，弊端：了，两个进程必须交替进入临界区

2、双标志位先检查：

while（flag\[j\]）;1

flag\[i\] = true;3

do\_something

flag\[i\] = false;

进程2

while（flag\[i\]）;2

flag\[j\] = true;4

do\_something

flag\[j\] = false;

优点可以连续使用，确定如果按照1234的顺序执行，可能两个进程同时进入临界区

2、双标志位后检查：

flag\[i\] = true;

while（flag\[j\]）;

do\_something

flag\[i\] = false;

进程2

flag\[j\] = true;

while（flag\[i\]）;

do\_something

flag\[j\] = false;

先置位后检查，可以克服上个算法的缺点，但是有可能两个进程先后置位后双方都不能进入临界区

4、peterson algorithm

flag\[i\] = true;

turn = j;

while（flag\[j\]&&turn == j）;

do\_something

flag\[i\] = false;

进程2

flag\[j\] = true;

turn = i;

while（flag\[i\]&&turn == i）;

do\_something

flag\[j\] = false;

增加一个标志位turn表示不允许某进程进入临界区，可以使得只有一个进程进入临界区

完全用软件方式实现同步和互斥机制，有很大的局限性，用硬件支持的原子性指令（如ts指令和swap指令），可以使操作不会打断，可以解决临界区问题

1、检测和设置ts指令

一个bool值false的时候没有进程使用，true的时候有进程使用

while TS（&lock）;

do\_something

lock = false;

2、swap指令

key = true;

swap(&lock,&key);

\}while(&key);

do\_something

lock = false;

硬件方法的有点：适用于任意数目的进程，简单容易验证正确性，如果有多个临界区，只要为每个临界区设立一个bool变量

缺点：等待要耗费处理机时间，不嫩做到让权等待，可能出现饥饿，可能出现死锁

信号量

之前提到的算法都是平等进程间的协商机制，操作系统可以从进程管理者的角度来处理互斥问题，信号量就是一种有效手段

信号量是一个荷兰科学家1985年提出，p，v都是荷兰语的首字母，由一个二元组组成，一个int初始非负，一个初始状态为空的等待队列（pcb队列）int大于零表示资源个数，小于零表示排队进程数，p为减一，v为加一。

p操作：

int--；申请一个资源

if（int<0）表示没有空闲资源

进程进入等待队列

阻塞进程

v操作

int++;释放一个资源

if（int<=0）表示有进程处于阻塞状态

从等待队列取出一个进程

进程进入就绪队列，唤醒一个进程分配处理机

互斥模型实现：

typedef int semaphore;

semaphore mutex = 1;

p(mutex);

do\_something

v(mutex);

p(mutex);

do\_something

v(mutex);

同步模型（p1生产，p2消费）

typedef int semaphore;

semaphore mutex = 0;

do\_something

v(mutex);

p(mutex);

do\_something

管程：用信号量和pv操作，信号量的操作分散在进程中，易读性，维护性，正确性难以保证

管程定义：共享资源用数据结构表示时候，资源管理程序可以定义一组过程处理资源，把这组过程和数据结构叫做管程，3部分共享数据，过程方法和初始化，任何时候只有一个进程可以在管程中运行，管程需要编译器支持

经典的同步互斥问题：

死锁：两个以上的进程无限期的等待不会发生的条件，处于一种停滞状态，产生死锁的原因：推进顺序不当，对互斥资源分配不当

四个必要条件：

互斥条件（一次只能有一个进程使用资源），占用并请求（部分占用，还要请求更多资源），非剥夺条件，循环等待（请求资源的进程形成了循环）

处理策略：

1、忽略：鸵鸟算法

2、死锁检测和恢复：根据保有的资源信息定期检查是否有死锁（有向图法和矩阵法），然后处理1、资源剥夺（挂起进程释放资源）2、进程撤销（撤销占用资源多或者代价小的进程），进程回退（如果有进程历史信息，可以回退到无死锁状态），重启系统。

3、死锁避免：银行家算法，规定安全顺序和非安全顺序，安全一定不会死锁，不安全可能有死锁

4、预防死锁：打破四个必要条件

由于锁获取顺序产生的死锁：

thread1：

a.clock()

b.clock()

thread2

b.clock()

a.clock()

顺序不同造成死锁，处理方法1改变顺序

2一次获得两个锁

用getlock（a,b）伪代码一次获得两个锁

在windows里面有WaitForMultipleObjects系统调用

线程之间的关系有三种：无关系，共享，同步。

进程之间通信、协调、通过一些事件通知或等待互斥锁的释放方面，不同的平台所支持的方式不一样

多进程共享数据代价大于线程，因为涉及序列化与反序列化的开销。一些ipc手段是单机os支持的，到了多机的分布式系统上要自己实现，而且性能有问题，网线带宽问题

同步与互斥

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