目录
进程同步与进程互斥的概念
进程同步
- 概念: 在多进程或多线程环境中，进程同步是为了解决并发执行过程中可能出现的异步性问题，确保不同进程按特定顺序协同工作。某些进程需要等待其他进程完成特定操作后才能继续执行。
- 特点:
- 保证操作的顺序性，避免数据竞争。
- 通常使用互斥锁、信号量、条件变量等机制。
进程互斥
- 概念: 互斥是一种同步形式，确保在某一时刻只有一个进程可以访问临界资源。临界资源可以是共享数据、设备或其他系统资源。
- 特点:
- 防止数据的诡异更新和状态错误。
- 主要依赖于互斥锁、信号量或其他同步机制进行实现。
互斥访问的实现
逻辑结构
- 进入区: 代码段，控制进程只能在资源可用时进入临界区。
- 临界区: 访问共享资源的代码段。
- 退出区: 代码段，用于释放对临界资源的访问。
- 剩余区: 代码段，不涉及对临界区和资源的访问。
遵循规则
- 空闲让进: 如果没有其他进程在使用临界区，请求进程可直接进入。
- 忙则等待: 如果另一个进程在使用临界区，请求进程必须等待。
- 有限等待: 每个进程在寻求进入临界区时，总能在有限时间内成功进入。
- 让权等待: 当进程被拒绝进入临界区时，可释放处理器给其他进程，以避免忙等待。
实现方式
软件实现方法
- 单标志法:
- 仅使用一个标志位，简单，但当多个进程同时访问时，不能保证安全性，易导致死锁。
- 双标志先检查:
- 双状态标志，但不能有效处理资源竞争的情况。
- 双标志后检查:
- 在检查进入的情况下可能导致饥饿。
- Peterson算法:
- 针对两个进程的互斥问题，利用标志位和 turn 来实现互斥，但是只适用于两个进程场景。
硬件实现方法
- 中断屏蔽方法:
- 通过控制中断来实现互斥，简单高效，但不适用于多处理器环境。
- TestAndSet（TS指令/TSL指令）:
- 利用测试和设置指令实现互斥，简单且高效，但缺乏“让权等待”的特性。
- Swap指令（XCHG指令）:
- 类似于TS指令，在某些情况下性能良好，但同样适用于单处理机。
同步机制
-
互斥锁（Mutex）:
- 概念: 用于保护临界区域的简单机制，acquire 和 release 操作需为原子操作。
- 特点: 多处理器系统性能较优，但需防止忙等现象。
-
信号量机制:
- 信号量是用来控制访问临界区的工具，通过 P（wait）和 V（signal）操作控制资源的获取和释放。
- 分类:
- 整形信号量: 用于表示可以访问的资源数量，通常不支持“让权等待”。
- 记录形信号量: 除了包含可用资源数量外，还维护等待队列，能实现让权等待。
-
管程（Monitor）:
- 概念: 用于解决共享资源访问的问题，包括共享数据结构和同步过程。
- 基本特征:
- 只有通过管程内部过程才能访问共享变量。
- 保证同一时刻仅有一个进程执行管程内部过程。
- 条件变量: 管程中用于等待某个条件发生——如果条件未满足，则进程阻塞在条件变量上，直到条件被满足。
经典同步问题
生产者-消费者问题
- 问题描述: 生产者进程生成数据并放入缓冲区，消费者从缓冲区取出数据，二者需实现协调与时序。
- 解决方案: 采用缓冲区的大小限制和信号量控制进程互斥与同步。
读者-写者问题
- 问题描述: 多个读者和写者访问共享数据库的情况，要求实现读者可以并行读取，但写者在写入时需独占。
- 解决方案: 使用读写锁机制，确保多个读者可以并行访问，但在写者执行时须确保没有读者和其他写者。
哲学家进餐问题
- 问题描述: 数个哲学家坐在圆桌周围，想用筷子进餐，但每个哲学家需要两根筷子而筷子是共享资源。
- 解决方案: 采用信号量或管程定义进餐规则，确保不发生死锁和资源饥饿。
吸烟者问题
- 问题描述: 供应者供给原料，吸烟者需要不同的原料来抽烟，从而维护进程之间的协调和资源分配。
- 解决方案: 通过信号量实现不同吸烟者对原料的互斥访问与同步消费。