操作系统互斥全攻略：从屏蔽中断到TSL指令

屏蔽中断 (Disabling Interrupts)

• 核心概念： 一种低级同步原语，主要用于单处理器 (Uniprocessor / Single-CPU) 系统。通过在执行临界区代码前暂时禁止 CPU 响应外部硬件中断，保证一小段代码（通常是操作关键内核数据结构）的原子性执行。
• 工作原理：
  1. 进入临界区前： 执行特殊 CPU 指令（如 CLI - Clear Interrupt Flag on x86）关闭中断响应。
  2. 执行临界区代码： CPU 此时不会响应任何外部硬件中断（如定时器中断、磁盘 I/O 完成中断、键盘中断等）。当前执行流（内核线程或进程）独占 CPU，不会被中断处理程序抢占。
  3. 退出临界区后： 执行另一条指令（如 STI - Set Interrupt Flag on x86）重新开启中断响应。CPU 会处理在屏蔽期间发生但被延迟的中断。
• 核心目的与作用：
  • 保证短操作的原子性： 防止当前执行的关键代码被中断处理程序打断（中断处理程序可能访问相同的内核数据结构，导致数据不一致）。
  • 防止内核抢占： 在非抢占式内核中，是实现互斥的一种简单方式（阻止可能导致内核线程切换的时钟中断）。
  • 实现其他同步原语的基础： 更高级别的同步机制（如自旋锁）在单处理器上的实现，其底层通常依赖于屏蔽中断（或结合屏蔽中断）来保证锁操作本身的原子性。
• 关键特性和注意事项：
  1. 仅适用于单处理器系统： 在多处理器 (SMP) 系统上，屏蔽中断只能阻止当前 CPU 响应中断。其他 CPU 上的线程仍然可以并发访问共享数据。因此，在 SMP 系统中，屏蔽中断不能单独提供互斥，必须与其他机制（如自旋锁）结合使用。
  2. 临界区必须非常短： 屏蔽中断会延迟所有中断响应，包括重要的系统中断（如时钟中断、磁盘中断）。如果屏蔽时间过长：
     • 会导致丢失中断（硬件事件未被处理）。
     • 严重影响系统的实时性和**响应性如鼠标键盘无响应）。
     • 可能导致硬件故障（某些设备需要及时响应中断）。
     • 因此，只应用于保护执行时间极短的代码段（通常是几条指令）。
  3. 不能用于用户态程序： 屏蔽中断是特权指令，只能在 CPU 的内核模式 (Ring 0) 下执行。
• 典型应用场景 (在现代内核中)：
  1. 保护每个 CPU 的私有数据： 在 SMP 系统中，修改每个 CPU 独有的数据（如当前运行的任务指针）时，只需要防止当前 CPU 被中断打断即可。
  2. 实现自旋锁： 在单处理器内核中，自旋锁的实现通常是在获取锁时屏蔽中断（防止中断处理程序获取同一个锁导致死锁），释放锁时再开启中断。
  3. 非常短的内核操作： 修改几个全局标志位、操作几个全局指针等，且操作必须原子完成，时间极短。
  4. 中断处理程序内部： 中断处理程序本身默认屏蔽（或部分屏蔽）其他中断。有时需要在处理程序内部进一步精细控制中断屏蔽状态。

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锁变量 (Lock Variable - Naive Attempt)

• 核心思想： 使用一个共享的整型变量（例如 lock）作为标志位。lock = 0 表示临界区空闲（解锁），lock = 1 表示临界区已被占用（加锁）。

• 设想的工作流程：
  1. 进程进入临界区前检查 lock。
  2. 如果 lock == 0（空闲），进程将 lock 设置为 1（加锁），然后进入临界区。
  3. 如果 lock == 1（已锁），进程等待（忙等或阻塞），直到 lock 变为 0。
  4. 进程退出临界区时，将 lock 设置为 0（解锁）。
• 致命缺陷： 检查和设置 lock 的操作不是原子的。考虑以下场景：
  1. 进程 A 检查 lock，发现它是 0（空闲）。
  2. 在进程 A 将 lock 设置为 1 之前，发生时钟中断或进程切换。
  3. 进程 B 被调度运行，它也检查 lock，同样发现它是 0（因为 A 还没来得及设置）。
  4. 进程 B 将 lock 设置为 1 并进入临界区。
  5. 进程 A 恢复运行，它仍然认为 lock 是 0（基于之前检查的结果），于是也将 lock 设置为 1 并进入临界区。
• 结果： 两个进程（A 和 B）同时进入了临界区，违反了互斥原则。这就是一个典型的竞态条件 (Race Condition)。
• 结论： 简单的锁变量方案无法实现互斥，因为检查和设置锁状态的操作本身需要是原子的，而软件层面的普通读写操作无法保证这一点。

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严格轮询法 (Strict Alternation / Spinlock with Busy Waiting)

• 核心思想： 两个进程（例如进程 0 和进程 1）通过一个共享变量 turn 严格交替进入临界区。
• 代码示例 (伪代码)：

  // Process 0
  while (TRUE) {
      while (turn != 0) {} // 忙等，直到轮到进程 0
      critical_region();   // 进入临界区
      turn = 1;            // 将轮次交给进程 1
      noncritical_region(); // 非临界区
  }
  
  // Process 1
  while (TRUE) {
      while (turn != 1) {} // 忙等，直到轮到进程 1
      critical_region();   // 进入临界区
      turn = 0;            // 将轮次交给进程 0
      noncritical_region(); // 非临界区
  }
  

• 优点： 简单，保证了互斥（因为 turn 的值强制了顺序）。
• 致命缺点：
  • 忙等待 (Busy Waiting)： 进程在等待 turn 改变时持续占用 CPU 循环检查，浪费 CPU 资源。
  • 违反“前进条件”： 进程的执行速度被强制绑定。如果进程 0 在非临界区执行时间很长，即使进程 1 早已准备好且临界区空闲，进程 1 也必须等待进程 0 执行完非临界区并显式地将 turn 设置为 1 后才能进入。这违反了“位于临界区外的进程不应被其他非临界区的进程阻塞”的原则。

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Peterson 解法 (Peterson's Solution)

• 核心思想： 一种软件解决方案，结合了锁变量和警告变量的概念，用于解决两个进程的互斥问题，无需硬件支持，也避免了严格轮询的缺点。它使用两个共享变量：
  • interested[2]: 布尔数组，interested[i] = TRUE 表示进程 i 想进入临界区。
  • turn: 指示哪个进程有优先权进入临界区（如果两者都想进入）。
  • 由于这是硬件层面上的操作所以一下代码是汇编,理解思路即可
• 代码示例 (伪代码)：

  #define FALSE 0
  #define TRUE 1
  #define N 2 // 进程数量
  
  int turn;                  // 谁的轮次
  int interested[N];         // 初始化为 0 (FALSE)
  
  void enter_region(int process) { // process 是 0 或 1
      int other = 1 - process;     // 另一个进程的编号
      interested[process] = TRUE; // 表明本进程想进入
      turn = process;             // 设置轮次标志（表示本进程愿意让出优先权）
      while (turn == process && interested[other] == TRUE) {
          // 空循环（忙等），直到条件不满足
      }
  }
  
  void leave_region(int process) {
      interested[process] = FALSE; // 表明本进程离开临界区
  }
  

• 工作原理 (enter_region):
  1. 进程 process 设置 interested[process] = TRUE，表明它想进入临界区。
  2. 进程 process 设置 turn = process。这相当于礼貌地说：“现在轮到我了，但如果另一个进程也想进，它可以先走”。
  3. 进程 process 进入忙等循环：while (turn == process && interested[other] == TRUE)。
     • 这个条件的意思是：“如果现在轮到我(turn == process)，但同时另一个进程也表示它想进入临界区(interested[other] == TRUE)，那么我就等待”。
     • 只要另一个进程在临界区（interested[other] == TRUE）并且 turn 没变，或者另一个进程也想进且 turn 是对方（turn != process），本进程就会等待。
  4. 当条件不满足时（要么 turn 不是自己了，要么另一个进程不想进了），进程退出循环，进入临界区。
• 工作原理 (leave_region):
  1. 进程 process 设置 interested[process] = FALSE，表明它已离开临界区。
  2. 调用TSL时，发起该指令的CPU会锁定内存总线，这意味着其他 CPU在这段时间内将无法访问内存总线
• 关键点：
  • 通过 interested 数组和 turn 变量的组合，解决了锁变量方案的原子性问题。
  • 避免了严格轮询法的强制交替，允许一个进程连续进入临界区（如果另一个进程不想进）。
  • 仍然存在忙等待问题。
  • 仅适用于两个进程。
  • 在现代 CPU（多核、乱序执行、缓存）上可能由于内存可见性问题失效，需要内存屏障（Memory Barriers）保证正确性。但在理论教学和单处理器顺序一致性模型下是有效的。
• 总结： Peterson 解法是一个经典的、纯软件的、解决两个进程互斥问题的算法。它证明了互斥可以在没有硬件原子指令的情况下实现，但存在忙等待和扩展性（仅限两进程）问题。

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TSL 指令 (Test and Set Lock Instruction)

• 核心概念： 一种由硬件直接提供的原子操作 (Atomic Operation) 指令，用于解决临界区问题。它是现代同步原语（如自旋锁）的基础。
• 指令功能 (TSL RX, LOCK)：
  • 原子地 (Atomically) 执行以下两个操作：
    1. 将内存位置 LOCK 的当前值读入寄存器 RX。
    2. 将内存位置 LOCK 的值设置为一个非零值（通常是 1）。
  • 整个操作在硬件层面保证是不可分割的（在执行期间不会被中断，其他 CPU 也无法访问 LOCK）。
• 硬件支持： CPU 在执行 TSL 指令时，会锁定内存总线 (Lock Memory Bus)，确保在此期间其他 CPU 无法访问该内存地址（或任何内存地址），从而保证原子性。
• 实现互斥锁 (自旋锁)：

  ; 假设 LOCK 是全局锁变量，初始化为 0 (解锁)
  enter_region:
      TSL REGISTER, LOCK   ; 原子操作：复制LOCK到REGISTER，设置LOCK=1
      CMP REGISTER, #0     ; 检查REGISTER（即LOCK的旧值）是否为0？
      JNE enter_region     ; 如果不是0（锁已被设置），循环等待（忙等）
      RET                  ; 如果是0（成功获取锁），返回进入临界区
  
  leave_region:
      MOVE LOCK, #0        ; 释放锁：将LOCK设置为0
      RET                  ; 返回
  

• 工作原理 (enter_region):
  1. 执行 TSL REGISTER, LOCK：
     • 原子地读取 LOCK 的旧值到 REGISTER。
     • 原子地将 LOCK 设置为 1（加锁状态）。
  2. 检查 REGISTER（即 LOCK 的旧值）：
     • 如果 REGISTER == 0：表示调用 TSL 之前锁是空闲的（解锁状态）。进程成功获取锁，退出循环，进入临界区。
     • 如果 REGISTER != 0（通常是 1）：表示调用 TSL 之前锁已被占用（加锁状态）。进程进入忙等循环，不断重试 TSL 指令。
• 工作原理 (leave_region):
  1. 将 LOCK 设置为 0（解锁状态）。
• 优点：
  • 简单高效： 实现简单（几条指令），在锁持有时间短且竞争不激烈时效率高。
  • 适用于多处理器 (SMP)： 硬件总线锁定机制保证了在 SMP 系统上的正确性。
  • 避免上下文切换： 忙等避免了进程/线程切换的开销（在等待时间短时有利）。
• 缺点：
  • 忙等待 (Busy Waiting)： 在锁被长时间持有时，等待的进程会持续占用 CPU 循环执行 TSL 和检查，浪费 CPU 资源（尤其在单处理器系统上更严重，持有锁的进程可能因等待 CPU 而无法释放锁）。
  • 优先级反转问题： 如果忙等线程优先级高，而持有锁的线程优先级低，高优先级线程会忙等，阻止低优先级线程运行释放锁，导致死锁（需要优先级继承或天花板协议解决）