操作系统学习笔记 2.1 - 进程同步
进程的同步 学习笔记
参考资料：
1. 相关概念
1.1 什么是进程的同步？
首先复习以下进程的5个特征：
1. 动态性
2. 并发性
3. 独立性
4. 异步性
5. 结构性
由于本来进程的特性，当出发并发的时候每个进程之间的进度。没有直接相关性。
会导致结果的不可复现，等问题。 为了协调进程之间的相互制约关系，引入了进程同步的概念
1.2 临界资源、临界区
一次只允许一个进程所用的资源叫做临界资源。 例如打印机一次只能正在执行一个打印任务；
其他的打印作业都处于 阻塞态 等待上个任务释放打印机临界资源
临界区： 访问临界资源的代码段叫做临界区
可以将临界资源的访问过程分成4个部分
1. 进入区：检查资源，设置正在访问的标志
2. 临界区：访问和使用临界资源
3. 退出区：将正在访问的标识消除掉
4. 剩余区：除此以外的剩下部分
同步： 让本来异步的两个或者多个进程，按照特定次序的直接制约关系：
例如 进程A通过缓冲区对进程B提供数据，当缓冲区为空的时候，B会发生阻塞；
一旦A对缓冲区写入了数据，则唤醒进程B，当缓冲区满了以后，A阻塞，一旦B完成读取
则唤醒A进程；
互斥： 两个没有先后的直接制约关系的进程，因为竞争临界资源发生的等待
例如 进程A B 都要使用打印机，A b直接并没有直接制约关系。
某一个作业先获得打印机资源，另外一个资源就需要等待指导前一个进程释放临界资源
为了禁止两个进程同事进入临界区，同步机制应该遵循如下的原理：
- 空闲让进 可以允许一个进程进程立刻进入临界区
- 忙则等待 已经进入临界区的进程 应该让其他试图进入的临界区的进行等待
- 有限等待：确定再有限时间内可以进入临界区，不会出现饥饿状况
- 让权等待： 如果阻塞，释放处理器
软件实现方法：
1. 单标志法
2. 双标志法先检查
3. 双标志法后检查
4. peterson算法 结合了上述方法
硬件实现方法：
1. 中断屏蔽方法
2. 原语 TestAndSet 以及 Swap
信号量与进程同步
整型信号量 S
wait(S)/P(S){
while(S<=0); // handling for S changed by other
S=S-1
}
signal(S)/V(S){
S=S+1; // release the resouce signal;
}
以上的方式虽然实现了，不断的测试等待同步，但是没有实现让权等待的功能
因为当P过程失败的时候，一直处于while循环，忙等，并没有释放CPU
记录型信号量
typedef struct{
int value;
struct process *L;
}semaphore;
wait(semaphore){
S.value--;
if(S.value<0){
add this process to S.L;
block(S.L); //使用原语block阻塞进程，释放cpu
}
}
signal/V(semophore S){
S.value++;
if(S.value<=0){ // 仍然有进程被阻塞
remove a process P from S.L
wakeup(P);
}
}
利用信号量来实行同步 （前驱关系）
例题：
同时有4个进程再进行 P1, P2 ,P3,P4
P2，P3都必须要P1完成后才可以进行
P4需要P2 P3完成后才开始运行
如何再并发中保证他们的前驱关系？
解决方案:
设置好初始的信号量
A1,A2; P1给P2 P3的信号量
B1； P2给P4的信号量， C1,P3给P2的信号量
| Process | P | Do | V |
|---|---|---|---|
| P1() | - | do something ; | V(A1)；V(A2); |
| P2() | P(A1) | do something | V(B1);} |
| P3() | P(A2); | do something ; | V(C1); |
| P4() | P(B1); P(C1); | do something ; | - |
利用信号量来实行互斥
例题：
同时有2个进程再进行 P1, P2
使用临界资源 A
如何再并发中保证互斥？
resurce A=1;
P1(){
P(A);
// use A
V(A);
};
P2(){
P(A);
// use A
V(A);
}
管程Monitor与进程同步
相比于信号量实现的进程同步和互斥：
1. 程序员需要自己实现进程互斥
2. 大量定义的分散的同步变量造成系统管理混乱
3. 操作不当产生死锁(下一篇学习)
便产生了一种新的进程同步工具 - 管程；
优点：
1. 保证了进程互斥，无需程序员自己实现
2. 提供了条件变量Condition_Variable 可以让程序员灵活的实现进程同步
利用共享数据结构抽象的表示系统中的共享资源；并且由对此数据结构实时操作
的一组对应过程组成的资源管理程序，称之为管程；
组成：
- 管程名字
- 共享结构数据说明
- 对其操作的过程函数
- 对于内部设置初始值语句
其表现结构非常像 面向对象中的一个类
monitor demo{
shared_resource S;
condition x;
init_code(){S=5; //初始资源数}
take_away(){S--;
if（S<=0）x.wait;
operations;}
give_back(){S++;operations;if(进程在等待)x.signal;}
}
| 名称 | 相同点 | 不同点 |
|---|---|---|
| 信号量 | PV操作 | 有值，显示剩余资源 |
| 条件变量 | wait/signal | 进程阻塞唤醒，配合管程管理剩余资源 |
案例：哲学家进餐问题
题目：
一个圆桌有5个哲学家，每两个哲学家之间有一根筷子
哲学家只有两种状态：吃饭 思考
只有当哲学家饥饿时候才试图拿起左右的两根筷子
如果筷子已经再别人手上，等待别人。
只有拿到两根筷子才进行进食， 放下筷子继续思考
目标：
- 防止饥饿
- 防止死锁
最开始，按照题意构建的进程如下：
Piloshopher(int i）
do{
P(chopstick[i]);
P(chopstick[(i+1)%5]);
eat;
Vchopstick[i]);
Vchopstick[(i+1)%5]);
think;
}while(1);
}
但是上面的过程有一个问题，当哲学家同时饿了，同时开始拿起左边的筷子，会导致所有的哲学家
都只有一根筷子；因此对于他们取筷子应该也做出限制 ， 最多一个一个来去筷子；
mutex=1
Piloshopher(int i）
do{
P(mutex);
P(chopstick[i]);
P(chopstick[(i+1)%5]);
V(mutex);
eat;
Vchopstick[i]);
Vchopstick[(i+1)%5]);
think;
}while(1);
}
