小白莲的操作系统day05-2.3(01-05)

文章目录

进程同步、进程互斥
- 知识总览
- 什么是进程同步
- 什么是进程互斥
- 知识回顾与重要考点
进程互斥的软件实现方法（重点）
- 知识总览
- 如果没有注意进程互斥
- 单标志法
- 双标志先检查法
- 双标志后检查法
- Peterson算法
- 知识回顾与重要考点
进程互斥的硬件实现方法
- 知识总览
- 中断屏蔽方法
- TestAndSet指令
- Swap指令
- 知识回顾与重要考点
信号量机制
- 知识总览
- 信号量机制--整型信号量
- 信号量机制--记录型信号量（重点）
- 知识回顾与重要考点
用信号量机制实现进程互斥、同步、前驱关系
- 知识总览
- 信号量机制实现进程互斥
- 信号量机制实现进程同步（重点）
- 信号量机制实现前驱关系
- 知识回顾与重要考点

进程同步、进程互斥

知识总览

什么是进程同步

操作系统要提供“进程同步机制”来实现上述需求。

同步亦称直接制约关系，它是指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而产生的制约关系。进程间的直接制约关系就是源于它们之间的相互合作。

什么是进程互斥

进程的“并发”需要“共享”的支持。各个并发执行的进程不可避免的需要共享一些系统资源（比如内存，又比如打印机、摄像头这样的I/O设备）

为了实现对临界资源的互斥访问，同时保证系统整体性能，需要遵守以下原则：

1.空闲让进。临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区；

2.忙则等待。当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待；

3.有限等待。对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区（保证不会饥饿）；

4.让权等待。当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机，防止进程忙等待。

知识回顾与重要考点

进程互斥的软件实现方法（重点）

知识总览

如果没有注意进程互斥

单标志法

算法思想：两个进程在访问完全临界区后会把使用临界区的权限转交给另一个进程。也就是说每个进入临界区的权限只能被另一个进程赋予。

因此，该算法可以实现“同一时刻最多只允许一个进程访问临界区”

只能按p0–>p1–>p0–>p1–>…这样轮流访问。这种必须“轮流访问”带来的问题是，如果此时允许进入临界区的进程是p0一直不访问临界区，那么虽然此时临界区空闲，但是并不允许p1访问。

因此，单标志法存在的主要问题是：违背“空闲让进”原则。

双标志先检查法

算法思想：设置一个布尔型数组flag[]，数组中各个元素用来标记各进程想进入临界区的意愿，比如“flag[0]=true” 意味着0号进程p0现在想要进入临界区。每个进程在进入临界区之前先检查当前有没有别的进程想要进入临界区，如果没有，则把自身对应的标志flag[i]设为true，之后开始访问临界区。

若按照1、5、2、6、3、7…的顺序执行，p0和p1将会同时访问临界区。
因此，双标志位检查法的主要问题是：违反“忙着等待”原则。
原因在于，进入区的“检查”和“上锁”两个处理不是一气呵成的。“检查”后，“上锁”前可能发生进程切换。

双标志后检查法

算法思想：双标志先检查法的改版。前一个算法的问题是先“检查”后“上锁”，但是这两个操作又无法一气呵成，因此导致了两个进程同时进入临界区的问题。因此，人们又想到先“上锁”后“检查”的方法，来避免问题。

若按照1、5、2、6、…的顺序执行，p0和p1都将无法进入临界区。
因此，双标志后检查法虽然解决了“忙则等待”的问题，但是又违背了“空闲让进”和“有限等待”原则，会因各进程都长期无法访问临界资源而产生“饥饿”现象。

Peterson算法

算法思想：结合双标志法、单标志法的思想。如果双方都争着想进入临界区，那可以让进程尝试“孔融让梨”（谦让）。做一个有礼貌的进程。
在这里插入图片描述

Peterson算法用软件方法解决了进程互斥问题，遵循了空闲让进、忙则等待、有限等待三个原则，但是依然未遵循让权等待的原则。

Peterson算法相较于之前三种软件解决方案来说，是最好的，但依然不够好。

知识回顾与重要考点

进程互斥的硬件实现方法

知识总览

中断屏蔽方法

利用“开/关中断指令”实现（与原语的实现思想相同，即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，也就不能发生进程切换，因此也不可能发生两个同时是访问临界区的情况）。

优点：简单、高效。
缺点：不适用于多核处理机；只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程（因为开/关中断指令只能运行在内核态，这组指令如果能让用户随意使用会很危险）。

TestAndSet指令

简称TS指令，也有地方称TestAndSetLock指令，或TSL指令。
TSL指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能是一气呵成。

相比软件实现方法，TSL指令把“上锁”和“检查”操作用硬件的方式变成了一气呵成的原子操作。
优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞；适用于多处理机环境。
缺点：不满足“让权等待”原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令，从而导致“忙等”。

Swap指令

有的地方也叫Exchange指令，或简称XCHG指令。
Swap指令是用硬件实现的。执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。

知识回顾与重要考点

信号量机制

用户可以通过使用操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作，从而很方便地实现了进程互斥、进程同步。

信号量其实就是一个变量（可以是一个整数，也可以是更复杂的记录型变量），可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量，比如：系统中只有一台打印机，就可以设置一个初始值为的信号量。

知识总览

信号量机制–整型信号量

信号量机制–记录型信号量（重点）

整型信号量的缺陷是存在“忙等”问题，因此人们又提出了“记录型信号量”，即用记录型数据结构表示的信号量。

知识回顾与重要考点

用信号量机制实现进程互斥、同步、前驱关系

知识总览

信号量机制实现进程互斥

信号量机制实现进程同步（重点）

信号量机制实现前驱关系

知识回顾与重要考点