操作系统~进程同步与进程互斥的概念和实现方式-白红宇的个人博客

发布日期：2021-05-07 13:58:51 浏览次数：22 分类：技术文章

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什么是进程同步

知识点回顾:进程是具有异步性的特征。

异步性是指，各并发执行的进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进。

读进程和写进程并发地运行，由于并发必然导致异步性，因此“写数据”和“读数据”两个操作执行的先后顺序是不确定的。

而实际应用中，又必须按照“写数据→读数据”的顺序来执行的。

如何解决这种异步问题，就是“进程同步”所讨论的内容。

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。

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l/o设备)

我们把一个时间段内只允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备（比如摄像头打印机）都属于临界资源。此外还有许多变量、数据、内存缓冲区等都属于临界资源。

对临界资源的访问，必须互斥地进行。

互斥，亦称间接制约关系。进程互斥指当一个进程访问某临界资源时，另一个想要访问该临界资源的进程必须等待。

当前访问临界资源的进程访问结束，释放该资源之后，另一个进程才能去访问临界资源。

为了实现对临界资源的互斥访问，同时保证系统整体性能，需要遵循以下原则:

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。

1、临界区（Critical Section）: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。

优点：保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法

缺点：虽然临界区同步速度很快，但却只能用来同步本进程内的线程，而不可用来同步多个进程中的线程。

2、互斥量（Mutex）:为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的。

互斥量跟临界区很相似，比临界区复杂，互斥对象只有一个，只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限。

优点：使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。

缺点：①互斥量是可以命名的，也就是说它可以跨越进程使用，所以创建互斥量需要的资源更多，所以如果只为了在进程内部是用的话使用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。因为互斥量是跨进程的互斥量一旦被创建，就可以通过名字打开它。

②通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用，但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理，比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统，可以根据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作，这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求，信号量对象可以说是一种资源计数器。

3、信号量（Semaphore）:为控制一个具有有限数量用户资源而设计。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。互斥量是信号量的一种特殊情况，当信号量的最大资源数=1就是互斥量了。

优点：适用于对Socket（套接字）程序中线程的同步。（例如，网络上的HTTP服务器要对同一时间内访问同一页面的用户数加以限制，只有不大于设定的最大用户数目的线程能够进行访问，而其他的访问企图则被挂起，只有在有用户退出对此页面的访问后才有可能进入。）

缺点：①信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点；

②信号量机制功能强大，但使用时对信号量的操作分散，而且难以控制，读写和维护都很困难，加重了程序员的编码负担；

③核心操作P-V分散在各用户程序的代码中，不易控制和管理，一旦错误，后果严重，且不易发现和纠正。

4、事件（Event）: 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。

优点：事件对象通过通知操作的方式来保持线程的同步，并且可以实现不同进程中的线程同步操作。

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线程同时访问临界区的情况)

优点:简单、高效
缺点:不适用于多处理机;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）