操作系统-进程同步机制

同步机制准则

• 空闲让进：若临界资源处于空闲状态，则应允许一个进程进入临界区访问临界资源
• 忙则等待：若已有进程进入临界区访问临界资源，则其它需要访问临界资源的进程必须等待，以实现对临界资源的互斥访问
• 有限等待：对临界资源进行等待的进程应在有限的时间内可以进入临界区，以免进入死等状态
• 让权等待：若进程由于无法进入临界区而发生等待，则应立即释放处理器，以免陷入忙等（空循环）状态

信号量机制

1965年由荷兰学者提出，最常见的由三种信号量

整形信号量

将一个用于标识资源数量的整型数S作为信号量，该信号量只能通过两个标准的原子操作wait（s）和signal（s）来访问，这两个操作分别称为P、V（荷兰语Proberen表示尝试，Verhogen表示增加）操作，用法是：

• 当一个进程需要申请一个资源时。可调用wait（S）操作，即P操作，表示减一操作
• 当一个进程使用完一个资源后需要释放时，可调用signal（S）操作，即V操作 ，表示加一操作

在wait（S）操作时，只要没有可用资源，当前进程就会进入忙等状态，直至S>0时，才会对S进行减一操作，没有满足让权等待的同步机制准则

记录型信号量

使用记录型（结构体）数据结构作为信号量，解决了整形信号量中未遵循让权等待准则问题。

信号量结构体中有两个变量：整形信号value（为正时，表示资源数量，为负时的绝对值表示等待该资源的进程的数量）；PCB的阻塞队列（由于缺少该资源而阻塞的进程组成的阻塞队列）

执行过程：

• P操作：信号量的value减一，当value小于0，将该线程插入信号量结构体内的阻塞队列中
• V操作：信号量的value加一，当value小于等与0，唤醒阻塞队列中的一个进程

AND型信号量

为了防止在请求资源较多时，产生死锁问题。

执行过程：

• P操作：若所有资源都可用的情况下，将所有需要的资源信号数量减一，如果有不可用的资源，将这个进程放入第一个不可用资源的阻塞队列中
• V操作：遍历每个资源，资源数量加一，如果这个资源有阻塞队列，则唤醒其中一个进程。

信号量集

AND型信号量，需要遍历多次执行PV操作，不仅低效，有产生死锁的风险。

• 信号量集Swait（S1，t1，d1……Sn，tn，dn）t表示资源分配的下限，当S小于t时，将不予分配，发生阻塞；d表示在允许分配的前提下，下一次分配S的资源数量（单位）
• 信号量集Ssignal（S1，d1……Sn，dn）表示一次释放d个S资源。

对于信号量集，需要注意以下几种特殊用法：

• Swait（S1，1，1……Sn，1，1）：其实就是AND型信号量的操作
• Swait（S，1，1）：其实就是记录型的操作
• Swait（S，1，0）：当资源S的数量小于1时发生阻塞，否则直接允许通过，一般用作开关

管程机制

信号量机制要求每个要访问临界资源的进程都必须自备同步PV操作。这不仅使得PV操作大量分散在了进程之中，而且如果使用不当（没有成对出现）就会导致系统死锁。

管程定义

管程是一种面向对象思想的体现。由一组共享数据结构及对这些数据的一组操作构成

管程结构

管程由四部分构成：

• 管程名称：不同共享资源及不同的操作可以构成不同的管程，不同的管程对象具有不同的名称
• 共享数据结构：这些共享数据结构是局部于管程之中的，用于描述共享资源
• 一组操作：这组操作用于操作共享数据结构。进程访问共享资源，即共享数据结构，只能通过这组管程内的操作完成。对临界资源的互斥访问就是通过这组操作完成的
• 初始化代码：是对局部与管程的共享数据进行初始化的代码，只在管程对象被创建时执行一次 

管程同步

管程由请求和释放共享资源的进程调用。通过管程机制可以实现进程间对共享资源（共享数据结构）的同步访问

• 当某进程通过管程访问临界资源时，管程便调用条件x（共享资源）的wait原语cwait（x），若条件x未能满足，便使该进程阻塞，并将其排在条件x的阻塞队列上。
• 当某进程通过管程访问完毕临界资源时，其同时会改变条件x，即调用条件x的signal原语csignal（x），从条件x阻塞队列中唤醒一个进程。 

经典进程同步问题

生产者-消费者问题

生产者-消费者问题是经典的合作制约关系的进程同步问题

问题描述：生产者与消费者具有一个公共缓冲池，该缓冲池中包含n个缓冲区，每个缓冲区可以存放一个数据。只要缓冲池中存在空缓冲区，生产者就可以将数据写入缓冲池，一旦缓冲池满，生产者就要停止生产；只要缓冲池中存在满缓冲区，消费者就可以从缓冲池中取走一条数据，一旦缓冲池空，消费者就要停止消费。

哲学家进餐问题

哲学家进餐问题是经典的互斥制约关系的进程同步问题

问题描述：由五个哲学家在同一张圆桌上用餐和思考。圆桌上为每个人配发了一只碗，但仅在他们的每个空隙中配发了一只筷子，即共只有五只筷子可用。要求他们交替进行用餐与思考。平时大家都在思考，当某个哲学家饥饿时会试图去取左右两边离他最近的筷子，只有拿到两只筷子时才能进餐，否则只能继续思考。进餐完毕，放下筷子开始思考。

读者-写者问题

读者写者问题是互斥制约与合作制约双重关系的进程同步问题

问题描述：一个被多个进程共享的文件、记录或数据结构，允许进程对其执行读、写操作。其允许多个进程同时读取，但只要有一个进程在读，就不能有进程对其进行写操作。同样，只要有一个进程在写，其它进程的读、写操作都不允许。