[操作系统] - 进程关系之同步互斥

同步与互斥

• 临界区&临界资源

临界资源(Critical Resouce)： 一次仅允许一个进程使用的共享资源

临界区(critical section)：每个进程中访问临界资源的那段代码

• 临界区进入的准则

  1. 单个进入
  2. 独自占用
  3. 尽快退出
  4. 落败让权[^6]

• 进程互斥实现方式

  • 软件

    1. 锁机制

       

       缺点：让权等待 🙅‍♀️🚫🙅‍♂️

       ---

    2. 信号量机制
       整型信号量→ 结构型信号量 → 信号量集

       • 整型信号量
       
       • 结构型信号量-单信号量
       

       • 结构型信号量-AND信号量

         

       • 信号量集

         

         ---

  • 硬件

    1. 关中断

       

       缺点：过于暴力 🤣😓

    2. TSL、SWAP指令

       

       缺点：让权等待 🙅‍♀️🚫🙅‍♂️ 无法用于复杂问题🙅‍♂️🚫🙅‍♀️

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• 经典进程的同步问题

  • 生产者—消费者问题
  

  回答：两个P操作不能交换次序，要先对资源信号量（如empty）P操作，再对互斥信号量（mutex）进行操作。否则会死锁

  ​ 两个V操作可以交换次序

  

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• 哲学家进餐问题

  

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• 读者-写者问题

  

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• 打瞌睡的理发师问题

  

  分析

  理发师和每一位顾客各一个进程。

  理发师进程分析：理发师开始工作时，先看一下店内有无顾客，如果没有， 就打瞌睡（阻塞）；如果有，就被唤醒，进行理发，且等待人数减1。注：理发师由于不停地理发故使用while循环。

  顾客进程分析：每一位顾客一个进程，故有多个顾客进程。每个进程中，如果顾客数超过座位数，就结束进程。否则等待理发师。顾客理完发（或无座位）就走，因此不需要while循环。

  该问题和生产者-消费者问题相似，但有什么不同？

  满座后，顾客离开店不再排队，即不需要PV

  /*
  引入3 个信号量和一个控制变量：
  控制变量waiting 用来记录等候理发的顾客数，初值为0；
  信号量customers 用来记录等候理发的顾客数，并用作阻塞理发师进程，初值为0；
  信号量barbers 用来记录正在等候顾客的理发师数，并用作阻塞顾客进程，初值为0；
  信号量mutex 用于互斥，初值为1。
  */
  #define CHAIRS 5
  typedef struct {
      int value;
      struct PCB* list;
  } semaphore;
  semaphore customers = 0;
  semaphore barbers = 0;
  semaphore mutex = 1;
  int waiting = 0;
  
  void barber(void) {
      while (TRUE) {
          P(customers); /*如果没有顾客，则理发师打瞌睡*/
          P(mutex);     /*互斥进入临界区*/
          waiting--;
          V(barbers); /*一个理发师准备理发*/
          V(mutex);   /*退出临界区*/
          cut_hair(); /*理发（在临界区之外）*/
      }
  }
  void customer(void) {
      P(mutex); /*互斥进入临界区*/
      if (waiting﹤CHAIRS) {
          waiting++;
          V(customers); /*若有必要，唤醒理发师*/
          V(mutex);     /*退出临界区*/
          P(barbers);   /*如果理发师正忙着，则顾客打瞌睡*/
          get_haircut();
      } else
          V(mutex); /*店里人满了，不等了*/
  }