ucore—17至20讲：同步互斥、信号量、死锁、进程通信

本文主要是介绍ucore—17至20讲：同步互斥、信号量、死锁、进程通信，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

第十七讲：同步互斥

17.1 背景

• 并发进程的正确性
  
• 进程并发执行的好处

• 并发中的错误情况举例
  
• 原子操作
  
  需要在并发执行的同时，保证一些操作是原子的！！！

17.2 现实生活中的同步问题

• 买面包举例
  …略，见视频：现实生活中的同步问题

• 进程的交互关系
  
  关注表中第二行，进程间资源共享带来的问题：
  互斥：一个进程占用资源，其他进程不能使用；
  死锁：多个进程各占用部分资源，形成循环等待；
  饥饿：其他进程可能轮流占用资源，而某个进程可能一直得不到资源(比如优先级过低的进程)

17.3 临界区及同步实现方式

17.3.1 临界区

• 临界区
  
  临界区：进程访问临界资源(这个资源必须是多个进程共享的)的一段互斥执行的代码，每个进程有自己的临界区
  进入区：检查可否进入临界区的条件对应的代码(如可进入，设置正在访问临界区标志)；
  退出区：清除“正在访问临界区”的标志；
  剩余区：进程剩下的代码，与同步互斥无关…

• 临界区的访问规则
  空闲则入：没有进程在临界区时，任何进程可进入；
  忙则等待：有进程在其临界区时，其他进程不能进入临界区；
  有限等待：等待进入临界区的进程不能无限等待；
  让权等待(可选)：不能进入临界区的进程，需要释放CPU(如进入阻塞状态)

17.3.2 禁用硬件中断实现同步

• 禁止硬件中断
  
• 缺点
  
  仅在不得不用的时候才使用关中断！

17.3.3 基于软件的同步

• 软件同步原理
  => 在进程的进入区和退出区修改共享变量来实现同步！
  
• 方法一：不可行
  
• 方法二：不可行
  不满足忙则等待 => 可能两个进程同时判断flag[i]/flag[j]，结果两个都满足，同时进入临界区！
  
• 方法三：不可行
  不满足空闲则入 => 可能两个进程同时修改flag[i]/flag[j]，结果循环判断时，两个进程都不能进入临界区!
  
• Peterson算法
  
• Dekkers算法
  可扩展到多个进程
  
• N进程的软件同步方法
  
• 基于软件的同步方法分析
  复杂：需要多个进程间共享数据项
  需要忙等待：浪费CPU时间

17.3.4 高级抽象的同步方法(锁)

• 概述
  
• 锁
  锁是一个抽象的数据结构
  用一个二进制变量表示锁定/解锁，它的内部基于原子操作指令；
  Lock::Acquire()
  锁被释放前其他进程一直处于等待状态，Acquire返回后某个得到锁；
  Lock::Release()
  释放锁，唤醒任何等待该锁的进程；
  
• 原子操作指令
  重点关注：TS指令和exchange指令
  
  
• 使用TS指令实现自旋锁(spinlock)
  
• TS指令实现无忙等待锁
  通过交换指令也可以实现
  
• 基于原子操作指令的锁的特征
  对比：中断禁用只适用于一个处理机(关中断只能禁止当前处理机？)
  
  

第十八讲：信号量与管程

18.1 信号量

• 回顾 & 概述
  
  信号量与管程属于 => 高层次的编程抽象
  
  信号量与锁是并列的高层抽象
  

• 信号量
  信号量与软件同步的区别
  软件同步：各进程间是平等的，他们遵守同一个规则进行同步，没有仲裁者；
  信号量同步：此时操作系统是作为一个仲裁者！
  
  

• 信号量的特性
  
  自旋锁不能实现先进先出 => 它没有组织需要资源的进程进行排队。锁释放后，哪个进程请求锁，则能先获得资源。

• 信号量的实现
  信号量的P、V操作由操作系统来保证原子性！
  

18.2 信号量的使用

• 信号量分类
  
  互斥可以理解为特殊的同步

• 信号量实现临界区的互斥访问
  使用二进制信号量
  

• 信号量实现条件同步
  使用资源信号量
  

• 存在困难
  
  只有在写程序时尽量避免死锁，执行过程中无法处理死锁问题!

• 例：生产者-消费者问题
  见18.4.1

18.3 管程

• 回顾 & 概述
  
  

• 管程
  
  管程可中途放弃，而临界区方法不能中途退出临界区

• 管程的组成(4个部分)
  如下面的图中所示，管程主要由四个部分组成：1.共享变量； 2.条件变量； 3.并发执行的进程代码； 4.初始化共享变量的代码
  

• 条件变量
  

• 条件变量的实现
  类似于信号量
  

• 例：管程解决生产者-消费者问题
  见18.4.1

• 管程条件变量的释放处理方式
  
  前者少了一个切换，更加高效；后者从优先级来说更加合理；
  以生产者-消费者为例，对应代码实现(对比18.4.1)：
  

18.4 经典进程同步

18.4.1 生产者-消费者问题

• 问题描述
  
• 问题分析
  
• 代码实现：信号量方式
  
  P、V操作不能交换，且必须先检查空/满，然后再申请和占用缓冲区
• 代码实现：管程方式
  与信号量方式相比：
  信号量必须将互斥访问紧挨着临界区(即mutex->P、V)；
  管程却可以将互斥操作直接放在管程代码的外部(lock->Acquire)；
  这是因为管程可以中途退出，而信号量确不能中途退出临界区!!!
  

18.4.2 读者-写者问题

• 问题描述
  

• 信号量解决读者-写者问题
  
  
  优先策略
  

• 管程解决读者-写者问题
  
  解决方案：读者
  (写者优先)
  
  解决方案：写者
  (写者优先)
  

18.4.3 哲学家就餐问题

• 问题描述
  

• 方案1
  

• 方案2
  

• 方案3
  

18.5 个人补充:信号量与管程的区别

• 管程是为了解决信号量在临界区的PV操作上的配对的麻烦，把配对的PV操作集中在一起管理的方法，它使用了条件变量

第十九讲(实验7)：同步互斥

19.1 总体介绍

19.2 底层支撑

• 定时器
  
  
  
• 屏蔽中断
  
  
• 等待队列
  
  
  

19.3 信号量设计实现

• 信号量原理
  
  以P操作为例：
  
  上面是sem的更改，由于关中断保证互斥性；下面是阻塞进程的代码，同样需要关中断
  
  在ucore中,sem信号量的互斥性是由关中断机制保证的!

19.4 管程和条件变量设计与实现(难且重要)

• 管程的定义
  管程包含的内容：1共享变量、2条件变量、3并发执行的进程代码、4初始化共享数据的代码
  

• 管程的数据结构
  

• 管程的实现
  

• 条件变量的定义
  条件变量看起来与信号量几乎一样，但是在实现上有很大的不同！
  
  
  由图可知，条件变量直接使用了信号量!

• 条件变量的signal和wait操作
  图中，上部分是原理，下部分是实现 => 可见，二者是有差异的!
  
  

• 管程和信号量的设计与实现
  
  
  

• 条件变量wait、signal原理与实现的对比
  1.关于等待信号量的进程数量
  
  2.关于等待队列
  
  3.关于管程中互斥信号量的释放
  
  与之对应的其实在另一个管程中,如下：
  
  4.关于管程中互斥信号量的释放
  
  

• 管程中互斥信号量不会导致死锁和重入
  

• 执行过程分析
  

19.5 哲学家就餐问题(管程实现)

• 管程定义和初始化
  
• 哲学家线程
  
• 哲学家线程调用的管程操作
  注意它类似于信号量，但是不同于信号量，主要区别就是下面标红的部分！
  

第二十讲：死锁和进程通信

20.1 死锁概念

• 死锁示例
  

• 进程访问资源的流程
  

• 资源分类
  
  
  

• 资源分配图
  
  

• 死锁的必要条件
  互斥：任何时刻只能有一个进程使用一个资源实例(共享资源不可能死锁)；
  持有并等待：进程至少持有一个资源，并且正在等待其他进程持有的资源；
  非抢占：资源只有在使用后自愿放弃，不可剥夺；
  循环等待：等待进程的集合中存在循环

20.2 死锁处理方法

• 方法概述
  死锁预防与死锁避免的区别
  死锁预防：是设法至少破坏产生死锁的四个必要条件之一,严格的防止死锁的出现
  死锁避免：在系统运行过程中注意避免死锁的最终发生，它不那么严格的限制产生死锁的必要条件的存在，因为即使死锁的必要条件存在，也不一定发生死锁。
  

• 死锁预防：限制资源申请方式
  
  互斥：把互斥的共享资源封装成可同时使用的资源(互斥在资源内部实现)
  持有并等待：进程请求资源时，要求它不持有任何其他资源；或者仅允许进程在开始执行时间，一次请求所有需要的资源； => 资源利用率低
  非抢占：如果进程请求不能立即分配所有资源，则释放已占有的资源； 只在能够获得所有需要资源时，才执行分配资源操作
  循环等待：对资源排序，要求进程按顺序请求资源

• 死锁避免
  

• 安全与死锁
  
  

20.3 银行家算法

• 银行家算法(死锁避免)
  
• 数据结构
  
• 安全状态判断
  基本思路：如果能够找到一个安全序列，对于序列中的每个线程Ti，资源的需求量都小于当前可用的资源数量 => 按照这个序列执行，最终每个线程都能获得需要的资源，从而是安全的！
  
• 算法描述
  
• 示例
  …略

20.4 死锁检测

• 概述
  

• 数据结构
  

• 检测算法
  类似于死锁避免中算法的安全判断的算法!
  
  分析算法的时间复杂度可知，开销较大 => 所以操作系统通常不管死锁

• 示例
  …略

• 死锁检测算法的使用
  

• 死锁恢复：进程终止
  终止进程的选择：
  

• 死锁恢复：资源抢占
  

20.5 进程通信

• 概述
  
• 通信方式
  间接通信：利用内核，使用消息队列，可以多对多
  直接通信：利用一片共享的内存区域，只能一对进程间通信
  
• 直接通信
  
• 间接通信
  
  
• 阻塞(同步)与非阻塞通信(异步)
  1.阻塞通信方式
  阻塞发送：发送者在发送消息后进入等待，知道接受者成功收到
  阻塞接收：接收者在请求接受消息后等待，直到成功收到一个消息
  2.非阻塞通信方式
  非阻塞发送：发送者发送消息后，可立即进行其他操作
  非阻塞接收：接收者在请求接收后没有收到任何消息(可能因为没有发送)，不用等待，可直接进行其他操作
• 通信链路缓冲
  

20.6 信号和管道

• 信号
  信号其实就是一个特定的中断 => 可结合csapp异常控制流理解…
  
• 信号的实现
  
• 信号使用示例
  
• 管道
  1.管道就是多个进程共享的一个内存文件，发送方只需向管道写数据，而不用关心接收方是谁，接收方同理…
  2.管道虽然说是“文件”，但是它不是文件系统/硬盘上的文件，它本质上只是内存中的一个缓冲区
  3.管道是半双工的，数据只能向一个方向流动(仅针对匿名管道)；
  4.只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程)(仅针对匿名管道)
  
• 管道相关的系统调用
  
• 管道示例
  

20.7 消息队列和共享内存

• 消息队列
  
• 消息队列的系统调用
  注意：消息队列是独立于创建它的进程，进程结束后，消息队列并不会自动删除，所以需要有单独的控制消息队列的系统调用!
  
• 共享内存
  
• 共享内存的实现
  注意：需要由程序员提供同步(比如信号量机制)!!!
  
• 共享内存的系统调用
  

这篇关于ucore—17至20讲：同步互斥、信号量、死锁、进程通信的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

---