前言

在多進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境下，進(jìn)程是并發(fā)執(zhí)行的，不同進(jìn)程間存在著不同的相互制約關(guān)系。為了協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的相互制約關(guān)系，達(dá)到資源共享和進(jìn)程協(xié)作，避免進(jìn)程之間的沖突，引入了進(jìn)程同步的概念。

臨界資源

多個(gè)進(jìn)程可以共享系統(tǒng)中的各種資源，但其中許多資源一次只能為一個(gè)進(jìn)程所使用，我們把一次只允許一個(gè)進(jìn)程使用的資源成為臨界資源。
對(duì)臨界資源的訪問(wèn)，必須互斥的進(jìn)行。每個(gè)進(jìn)程中，訪問(wèn)臨界資源的那段代碼成為臨界區(qū)。

為了保證臨界資源的正確使用，可以把臨界資源的訪問(wèn)過(guò)程分為四個(gè)部分。

• 進(jìn)入?yún)^(qū)。為了進(jìn)入臨界區(qū)使用臨界資源，在進(jìn)入去要檢查可否進(jìn)入臨界區(qū)。
• 臨界區(qū)。進(jìn)程中訪問(wèn)臨界資源的那段代碼。
• 退出區(qū)。將正在訪問(wèn)臨界區(qū)的標(biāo)志清除。
• 剩余區(qū)。代碼中的其余部分。

一般實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步有這幾種方法：

• 提過(guò)硬件提供的實(shí)現(xiàn)
• 信號(hào)量
• 管程

生產(chǎn)者-消費(fèi)者實(shí)例

下面的代碼就分別是生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程，而buffer就是臨界資源

• 當(dāng)生產(chǎn)者要訪問(wèn)臨界資源時(shí)，會(huì)先判斷buffer是不是已經(jīng)滿(mǎn)了，而消費(fèi)者則判斷buffer是不是空的，這就是訪問(wèn)臨界資源的進(jìn)入?yún)^(qū)

• 而中間對(duì)buffer的操作就是臨界區(qū)

• 最后對(duì)counter的加減就是設(shè)置對(duì)臨界區(qū)訪問(wèn)的標(biāo)志

• 但是這里依舊也有可能出現(xiàn)問(wèn)題，比如當(dāng)進(jìn)程走到in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;的時(shí)候，這時(shí)候操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，這時(shí)候的counter的值可能還是0，所以消費(fèi)者進(jìn)程可能就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題

這里的處理可以是利用關(guān)閉中斷來(lái)限制進(jìn)程的切換，但是在多核CPU下一樣不管用

這里就涉及到了臨界區(qū)的保護(hù)了

#define BUFFER_SIZE 10 typedef struct { . . . } item; item buffer[BUFFER_SIZE]; int in = out = counter = 0 while (true) {while(counter== BUFFER_SIZE); buffer[in] = item;in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;counter++; } while (true) {while(counter== 0) ; item = buffer[out];out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;counter--; }

信號(hào)量

什么是信號(hào)量

為了防止出現(xiàn)因多個(gè)程序同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)共享資源而引發(fā)的一系列問(wèn)題，我們需要一種方法，它可以通過(guò)生成并使用令牌來(lái)授權(quán)，在任一時(shí)刻只能有一個(gè)執(zhí)行線(xiàn)程訪問(wèn)代碼的臨界區(qū)。

為了避免像上面一樣會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)條件，程序?qū)π盘?hào)量訪問(wèn)都是原子操作，且只允許對(duì)它進(jìn)行等待（即P(信號(hào)變量))和發(fā)送（即V(信號(hào)變量))信息操作。

信號(hào)量的工作原理

由于信號(hào)量只能進(jìn)行兩種操作等待和發(fā)送信號(hào)，即P(sv)和V(sv),他們的行為是這樣的：

• P(sv)：如果sv的值大于零，就給它減1；如果它的值為零，就掛起該進(jìn)程的執(zhí)行
• V(sv)：如果有其他進(jìn)程因等待sv而被掛起，就讓它恢復(fù)運(yùn)行，如果沒(méi)有進(jìn)程因等待sv而掛起，就給它加1.

舉個(gè)例子，就是兩個(gè)進(jìn)程共享信號(hào)量sv，一旦其中一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行了P(sv)操作，它將得到信號(hào)量，并可以進(jìn)入臨界區(qū)，使sv減1。而第二個(gè)進(jìn)程將被阻止進(jìn)入臨界區(qū)，因?yàn)楫?dāng)它試圖執(zhí)行P(sv)時(shí)，sv為0，它會(huì)被掛起以等待第一個(gè)進(jìn)程離開(kāi)臨界區(qū)域并執(zhí)行V(sv)釋放信號(hào)量，這時(shí)第二個(gè)進(jìn)程就可以恢復(fù)執(zhí)行。

Linux 0.11的進(jìn)程同步

在Linux 0.11里是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)信號(hào)量的，考慮后面會(huì)自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)。這里先看一下Linux 0.11里用來(lái)進(jìn)行進(jìn)程同步的兩個(gè)函數(shù)

sleep_on

• p實(shí)際上指的是一個(gè)等待隊(duì)列

• 如果當(dāng)前進(jìn)程是進(jìn)程0或者無(wú)效，就直接退出

• 然后把要等待的進(jìn)程放到等待隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)，把狀態(tài)設(shè)置為不可中斷的等待狀態(tài)

  這里隊(duì)列的形成非常非常的隱蔽，首先把用tmp指向之前的進(jìn)程，在把當(dāng)前要睡眠的進(jìn)程放入，而之所以能形成隊(duì)列，是因?yàn)楝F(xiàn)在放入隊(duì)列的進(jìn)程的tmp作為局部變量是保存在這個(gè)進(jìn)程的堆棧中的，這樣在把進(jìn)程切換回來(lái)的時(shí)候，tmp就自然的指向上一個(gè)進(jìn)程了。

• 最后當(dāng)這個(gè)進(jìn)程被喚醒的時(shí)候，會(huì)回到if語(yǔ)句喚醒等待隊(duì)列中所有進(jìn)程

void sleep_on(struct task_struct **p) {struct task_struct *tmp;if (!p)return;if (current == &(init_task.task))panic("task[0] trying to sleep");tmp = *p;*p = current;current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;schedule();if (tmp)tmp->state=0; }

wake_up

• 喚醒 p 指向的任務(wù)。 p是任務(wù)等待隊(duì)列頭指針。由于新等待任務(wù)是插入在等待隊(duì)列頭指針處的，

void wake_up(struct task_struct **p) {if (p && *p) {(**p).state=0; // 置為就緒(可運(yùn)行)狀態(tài)TASK_RUNNING.*p=NULL;} }

小結(jié)

首先竟然有了多進(jìn)程，那在訪問(wèn)共享資源的時(shí)候自然就會(huì)發(fā)生制約關(guān)系，所以才引入了進(jìn)程同步的概念。

而進(jìn)程同步的關(guān)鍵就是對(duì)臨界區(qū)的保護(hù)，信號(hào)量就是一種可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界區(qū)保護(hù)的方法

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/secoding/p/11428751.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的我是如何学习写一个操作系统（七）：进程的同步与信号量的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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