操作系统之进程管理:进程同步

骑猪看日落 2022-03-22 12:25 382阅读 0赞

## 进程同步 ##

### 1. 临界区 ###

对临界资源进行访问的那段代码称为临界区。

为了互斥访问临界资源，每个进程在进入临界区之前，需要先进行检查。

// entry section
    // critical section;
    // exit section

###  ###

### 2. 同步与互斥 ###

*  同步：多个进程按一定顺序执行；
 *  互斥：多个进程在同一时刻只有一个进程能进入临界区。

###  ###

### 3. 信号量 ###

信号量（Semaphore）是一个整型变量，可以对其执行 down 和 up 操作，也就是常见的 P 和 V 操作。

*  **down** : 如果信号量大于 0 ，执行 -1 操作；如果信号量等于 0，进程睡眠，等待信号量大于 0；
 *  **up** ：对信号量执行 +1 操作，唤醒睡眠的进程让其完成 down 操作。

down 和 up 操作需要被设计成原语，不可分割，通常的做法是在执行这些操作的时候屏蔽中断。

如果信号量的取值只能为 0 或者 1，那么就成为了 **互斥量（Mutex）** ，0 表示临界区已经加锁，1 表示临界区解锁。

typedef int semaphore;
    semaphore mutex = 1;
    void P1() {
        down(&mutex);
        // 临界区
        up(&mutex);
    }
    
    void P2() {
        down(&mutex);
        // 临界区
        up(&mutex);
    }

**使用信号量实现生产者-消费者问题**

问题描述：使用一个缓冲区来保存物品，只有缓冲区没有满，生产者才可以放入物品；只有缓冲区不为空，消费者才可以拿走物品。

因为缓冲区属于临界资源，因此需要使用一个互斥量 mutex 来控制对缓冲区的互斥访问。

为了同步生产者和消费者的行为，需要记录缓冲区中物品的数量。数量可以使用信号量来进行统计，这里需要使用两个信号量：empty 记录空缓冲区的数量，full 记录满缓冲区的数量。其中，empty 信号量是在生产者进程中使用，当 empty 不为 0 时，生产者才可以放入物品；full 信号量是在消费者进程中使用，当 full 信号量不为 0 时，消费者才可以取走物品。

注意，不能先对缓冲区进行加锁，再测试信号量。也就是说，不能先执行 down(mutex) 再执行 down(empty)。如果这么做了，那么可能会出现这种情况：生产者对缓冲区加锁后，执行 down(empty) 操作，发现 empty = 0，此时生产者睡眠。消费者不能进入临界区，因为生产者对缓冲区加锁了，消费者就无法执行 up(empty) 操作，empty 永远都为 0，导致生产者永远等待下，不会释放锁，消费者因此也会永远等待下去。

#define N 100
    typedef int semaphore;
    semaphore mutex = 1;
    semaphore empty = N;
    semaphore full = 0;
    
    void producer() {        //生产者
        while(TRUE) {
            int item = produce_item();
            down(&empty);    //empty--
            down(&mutex);
            insert_item(item);
            up(&mutex);    
            up(&full);        //full++
        }
    }
    
    void consumer() {        //消费者
        while(TRUE) {
            down(&full);        //full--
            down(&mutex);
            int item = remove_item();
            consume_item(item);
            up(&mutex);
            up(&empty);        //empty++
        }
    }

###  ###

### 4. 管程 ###

使用信号量机制实现的生产者消费者问题需要客户端代码做很多控制，而管程把控制的代码独立出来，不仅不容易出错，也使得客户端代码调用更容易。

c 语言不支持管程，下面的示例代码使用了类 Pascal 语言来描述管程。示例代码的管程提供了 insert() 和 remove() 方法，客户端代码通过调用这两个方法来解决生产者-消费者问题。

monitor ProducerConsumer
        integer i;
        condition c;
    
        procedure insert();
        begin
            // ...
        end;
    
        procedure remove();
        begin
            // ...
        end;
    end monitor;

管程有一个重要特性：在一个时刻只能有一个进程使用管程。进程在无法继续执行的时候不能一直占用管程，否者其它进程永远不能使用管程。

管程引入了 **条件变量** 以及相关的操作：**wait()** 和 **signal()** 来实现同步操作。对条件变量执行 wait() 操作会导致调用进程阻塞，把管程让出来给另一个进程持有。signal() 操作用于唤醒被阻塞的进程。

## **使用管程实现生产者-消费者问题** ##

// 管程
    monitor ProducerConsumer
        condition full, empty;
        integer count := 0;
        condition c;
    
        procedure insert(item: integer);
        begin
            if count = N then wait(full);
            insert_item(item);
            count := count + 1;
            if count = 1 then signal(empty);
        end;
    
        function remove: integer;
        begin
            if count = 0 then wait(empty);
            remove = remove_item;
            count := count - 1;
            if count = N -1 then signal(full);
        end;
    end monitor;
    
    // 生产者客户端
    procedure producer
    begin
        while true do
        begin
            item = produce_item;
            ProducerConsumer.insert(item);
        end
    end;
    
    // 消费者客户端
    procedure consumer
    begin
        while true do
        begin
            item = ProducerConsumer.remove;
            consume_item(item);
        end
    end;

## 经典同步问题 ##

生产者和消费者问题前面已经讨论过了。

### 1. 读者-写者问题 ###

允许多个进程同时对数据进行读操作，但是不允许读和写以及写和写操作同时发生。

一个整型变量 count 记录在对数据进行读操作的进程数量，一个互斥量 count\_mutex 用于对 count 加锁，一个互斥量 data\_mutex 用于对读写的数据加锁。

typedef int semaphore;
    semaphore count_mutex = 1;
    semaphore data_mutex = 1;
    int count = 0;
    
    void reader() {
        while(TRUE) {
            down(&count_mutex);
            count++;
            if(count == 1) down(&data_mutex); // 第一个读者需要对数据进行加锁，防止写进程访问
            up(&count_mutex);
            read();
            down(&count_mutex);
            count--;
            if(count == 0) up(&data_mutex);
            up(&count_mutex);
        }
    }
    
    void writer() {
        while(TRUE) {
            down(&data_mutex);
            write();
            up(&data_mutex);
        }
    }