操作系统要点---2、并发，锁
操作系统要点---并发，锁
1、并发
操作系统的基本控制原理都是围绕进程展开的。但是，进程控制的复杂性是由操作系统的并发机制引起的。
在支持多道程序环境的通用操作系统中 ，允许一个或若十个进程在系统中并发执行， 但由于系统硬件资源的有限性， 使得并发执行的若干进程之间会出现竞争系统有限软硬件资源的现象。 这些资源包括处理器、 内存、I/0设备以及数据库等， 这就需要操作系统来协调和优化分配系统共享资源。 特别是在单处理器系统中，任一时刻 CPU 只能运行一个进程， 而其他进程只能是等待 CPU 或其他资源。为了公平合理地对待所有进程， 内核为每个进程分配一小段时间一小段时间被称为时间片。 一旦正在被运行进程的时间片用完， CPU 就立即被切换去执行另一个等待运行的就绪进程。由于 CPU 的运行速度很快， 造成若干个进程同时在运行的一 种虚拟假像。 这就是多道程序的并发控制。
并发是指在同一时间间隔内对资源的共享。即内存中的多个进程分时共享CPU、内存以及 I/O设备。显然，并发机制可以高效地使用CPU,协调高速CPU与慢速外设的矛盾。但是处理并发并不容易。在内存中同时驻留多个进程需要特殊的硬件以及软件的配合对其进行保护，以免各个进程的信息被窃取并遭到攻击。因此，现代操作系统的一个重要内容就是管理计算机的并发操作。
操作系统要实现并发控制的设计目标，离不开硬件平台的支持。因为内核必须使用中断机制和硬件上下文切换机制，才能实现多道程序的分时共享，否则CPU无法知道某个进程的时间片已经耗尽，需要调用另一个进程运行。另外，还要考虑CPU执行进程切换的时间开销要尽可能的小，如果CPU执行进程切换的时间开销太大，则多道程序设计将失去意义。
操作系统中的许多迫切需要解决与研究的问题都是由并发机制而引起的。例如：围绕若 “竞争条件”而引入了临界区、原子操作、同步与互斥、锁变量，等等。因此，并发控制向程序设计人员提出了新的重要的学习目标。因为并发程序并不总是按照预期的结果运行。因此调试并发程序是一件棘手的事，而且并发程序典型的不易解决的毛病是，一个并发程序编译运行后，大多数情况下运行结果都很好，但是极少数的情况下它会莫名其妙地失败，而且无法找到原因。
为了实现分时共享，内核必须将时间片已经耗尽的当前进程挂起，然后从就绪队列中选择，一个具有较高优先权的进程投入运行这个过程称为进程切换，或叫任务切换、上下文切换。
2、锁机制
在多线程编程中，操作系统引入了锁机制。通过锁机制，能够保证在多核多线程环境中，在某一个时间点上，只能有一个线程进入临界区代码，从而保证临界区中操作数据的一致性。
所谓的锁，可以理解为内存中的一个整型数，拥有两种状态：空闲状态和上锁状态。加锁时，判断锁是否空闲，如果空闲，修改为上锁状态，返回成功；如果已经上锁，则返回失败。解锁时，则把锁状态修改为空闲状态。
加锁过程用如下伪码表示：
1、read lock；
2、判断lock状态；
3、if 已加锁，失败返回；
4、if 未加锁，把锁状态设置为上锁，返回成功。
虽然每一步是原子性的，但是每一步之间却是可以中断的。比如进程A在执行完2后发生中断，中断中进程B也执行了加锁过程，返回中断后就会发生两个进程都会加锁。
对于这个问题，计算机已经解决，方法是采用原子级汇编指令test and set 和swap。
1、死锁
死锁: 是指两个或两个以上的进程在执行过程中,因争夺资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去.
此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁,这些永远在互相等待的进程称为死锁进程.
2、死锁的原因
主要原因：（1） 因为系统资源不足。（2） 进程运行推进的顺序不合适，保证有先后顺序。（3） 资源分配不当等。
3、死锁的必要条件
（1） 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
（2） 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
（3） 不剥夺条件： 进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
（4） 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
4、预防死锁
资源一次性分配：（破坏请求和保持条件）
可剥夺资源：即当某进程新的资源未满足时，释放已占有的资源（破坏不可剥夺条件）
资源有序分配法：系统给每类资源赋予一个编号，每一个进程按编号递增的顺序请求资源，释放则相反（破坏环路等待条件）
5、避免死锁
预防死锁的几种策略，会严重地损害系统性能。因此在避免死锁时，要施加较弱的限制，从而获得较满意的系统性能。由于在避免死锁的策略中，允许进程动态地申请资源。因而，系统在进行资源分配之前预先计算资源分配的安全性。若此次分配不会导致系统进入不安全状态，则将资源分配给进程；否则，进程等待。其中最具有代表性的避免死锁算法是银行家算法。
6、解除死锁
当发现有进程死锁后，便应立即把它从死锁状态中解脱出来，常采用的方法有：
剥夺资源：从其它进程剥夺足够数量的资源给死锁进程，以解除死锁状态；
撤消进程：可以直接撤消死锁进程或撤消代价最小的进程，直至有足够的资源可用，死锁状态.消除为止；所谓代价是指优先级、运行代价、进程的重要性和价值等。
