進程對臨界資源的互斥訪問

臨界資源與臨界區

臨界資源（critical resource）：一次只能供一個進程使用的資源。   如：硬件有打印機等，軟件有變量，磁盤文件（寫入的時候）。

臨界區（critical section）：把進程中訪問臨界資源的那段代碼成為臨界區。

為了實現臨界資源的互斥訪問，只要做到進程互斥地進去自己的臨界區，便可以實現進程對臨界資源的互斥訪問。

同步機制

為實現各進程互質地訪問自己的臨界區，操作系統需要同步機制來協調各進程的運行。

1、同步機制的規則

　　（1）空閑讓進：當無進程處於臨界區，表明臨界資源處於空閑狀態，允許請求進去臨界區的進程進去臨界區

　　（2）忙則等待：當有進程處於臨界區，表明臨界資源正在訪問，其他請求進入臨界區的進程必須等待。

　　（3）有限等待：應使在等待的進程在有限的事件內進入自己的臨界區，避免"死等"狀態

　　（4）讓權等待：當進程不能進入自己的臨界區，應立即釋放處理機，以避免進入"忙等"狀態

2、硬件同步機制

　為臨界資源設置一把鎖，當臨界資源無進程使用時，鎖是打開的，當臨界資源正在被進程使用時，則鎖是關閉的。

鎖可能是一個布爾變量lock，初始時，lock = FALSE，那么每次訪問臨界資源時，都要進程鎖測試。

bool lock = false;
    if(!lock)
    {
        lock = true;
        access critical section;//訪問臨界區資源
    }

但是在多任務的處理機中，可能會發生錯誤。假設有2個進程都要訪問同一臨界資源，進程a通過了鎖測試，但是未將lock設為true時，發生了進程調度，進程b開始執行鎖測試，同樣通過了鎖測試，從而使得兩個進程訪問同一個臨界資源。

　　（1）關中斷：在進入鎖測試之前關閉中斷，直到完成鎖測試並且上鎖之后才打開中斷，但是這樣很不好，限制了CPU處理任務的能力，而且也很危險，如果用戶在中斷后寫個死循環，那不就死機了。

　　（2）利用Test-and-set指令：這是一條硬件指令，且該指令是原子操作（atomic operataion），原子操作指的是該執行過程要么不做，那么全做，即像原子一樣不可分割。下面的TS就是一個原子操作，所以不會發生上面所說的問題。

bool TS(bool *lock)//lock 為臨界資源的鎖
{
    bool old ;
    old = lock;
    lock = true;//如果鎖為true，那么這句不影響鎖，如果鎖為false，那么正好上鎖
    return old;
}

while(TS(&lock));//循環測試直到TS(&lock) 為false
access critical section;
lock = false;

　　（3）利用Swap指令：該指令也是硬件指令，且是原子操作。可以看出下面的代碼其實思想是和上面的代碼思想是一樣的。只不過實現方式不同而已。

void swap(bool *a, bool *b)
{
    //如果a==true，那么swap語句不影響鎖，如果a==false，那么正好上鎖
    bool tmp
    tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

bool key = true;
do{
    swap(&lock,&key);
}while(key!=false)

 

3、信號量機制

　　（1）整形信號量：用一個整型的信號量S來表示資源的個數，然后通過兩個原子操作來進行判斷，這兩個原子操作是wait(S)和singal(S)，也叫做P和V

其實這些操作很容易想出來，但是你不能自己直接寫if-else來判斷，因為你的這些代碼可能不具備原子性，所以會發生錯誤。

wait(S)
{
    while(S<=0);
    S--;
}
singal(S)
{
    S++;
}


//使用wait(S)和singal(S)來做到互斥訪問
wait(S);
access critical section;
singal(S);

　　（2）記錄型信號量：在整形信號量中，只要S<0,那么wait原子操作就會不停地進行測試，直到S>=0，這種不斷測試，知道滿足條件的情況叫做忙等待。這樣不如使得該進程進入阻塞狀態，等滿足條件時再喚醒該進程。而且這樣更有利於提高CPU的效率。 這就是記錄型信號量所做的事情。

wait原語所做的操作是將S->value--，如果減完后小於0，那么說明臨界資源不夠，因此調用block原語，將當前進程阻塞，並記錄到鏈表S->list中

singal原語所做的操作是將S->value++，如果加完后小於等於0，那么說明鏈表中S->list有阻塞的進程，因此調用wakeup原語喚醒該進程來獲得臨界資源。

//記錄型數據結構
typedef struct
{
    int value;
    struct process_control_block *list;
}semaphore;


wait(semaphore *S)
{
    S->value--;
    if(S->value < 0) block(S->list);
}

singal(semaphore *S)
{
    S->value++;
    if(S->value<=0) wakeup(S->list);
}

 

其實硬件指令同步和軟件同步所做的操作都是一樣的，只是他們實現的方式不同而已，一個是硬件，一個是軟件。