操作系统（5）并发控制（1）线程的互斥

2024-05-12 14:39:32

操作系统（5）并发控制（1）线程的互斥

关键并发术语：

**临界区（critical section）**是访问共享资源的一段代码，资源通常是一个变量或者数据结构
**竞态条件（race condition）**出现在多个执行线程大致同时进入临界区时，它们都试图更新共享的数据结构，导致了令人惊讶的（也许是不希望的）结果
**不确定性（indeterminate）**程序由一个或多个竞态条件组成，程序的输出因运行而异，具体取决于哪些线程在何时运行。这导致结果不是确定的（deterministic），而我们通常期望计算机系统给出确定的结果
为了避免这些问题，线程应该使用某种**互斥（mutual exclusion）**原语。这样做可以保证只有一个线程进入1临界区，从而避免进入竞态，并产生确定的程序输出。

互斥问题

直观理解：

经典的厕所包间例子

共享内存上的互斥

问题定义：

互斥：组织并发的发生：保证了原子性、有序性、可见性

共享内存的困境：

线程的三个基本操作：

load，读共享内存
store，写共享内存
线程本地计算（其它线程不可见）

**黑人问号问题：**load和store顺序不能保证

**Peterson算法在多处理器编程的问题：**load和store顺序不能保证

示意图：即load可能发生在store之前；若发生，则两个load交替进行时，对方都没有举起棋子，再执行时两个人同时进了厕所，程序错误。

**x86处理器的共享内存模型：**即读取变量时，会先从store buffer中看看有没有该变量，没有的话再通过缓存再从内存读取；写入变量时，不会直接写到内存，而是先按顺序写到store buffer中，最后strore buffer再写到共享内存中。

示意图：

实现互斥的真正困难

原子指令与互斥

共享内存实现互斥的困难

**如果可以有原子操作？**test-and-set指令！

原子指令（操作）：

x86的xchg指令：

xchg指令实现很形象的例子：

另一种原子操作：

LR/SC;LL/SC:

LR/SC的道理：

CAS的LR/SC实现：

数据竞争

概念：简单的理解，就是谁先执行操作。先stroe还是先load（前面的例子）

避免数据竞争

数据竞争

概念：简单的理解，就是谁先执行操作。先stroe还是先load（前面的例子）

避免数据竞争

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