多進程并發運行，導致多個進程間有資源共享，比如CPU、內存，因此存在不確定性和不可重現，可能導致多次運行結果不一致。因此操作系統需要利用同步機制在并發執行的同時，保證一些操作是原子操作。

• 互斥是指一個進程占用了某個資源，其他進程都不能使用該資源；
• 死鎖是指多個進程各占有了一部分資源，形成了循環等待；
• 饑餓是指其他進程輪流占用資源，一個進程一直得不到資源。

臨界區

為解決進程間同步導致的這些問題，提出了一些方案。臨界區是指進程中訪問臨界資源的一段需要互斥執行的代碼。進入臨界區之前需要判斷能否進入，進入時需要改變標志阻止其他進程進入，進入的進程執行完成后退出時修改標志。

臨界區訪問規則：

• 空閑則入，沒有進程進入時可以進城；
• 忙則等待，有進程在臨界區時其他進程均不可進入；
• 有限等待，等待進入臨界區的進程不能無限制等待；
• 讓權等待，不能進入的進程應釋放CPU進入阻塞狀態。

臨界區實現方式：

• 禁用中斷，進入臨界區后不響應中端；
• 軟件方式，共享變量協調；
• 借用操作系統提供高級的抽象方法。

顯然第三種方式是可取的，其他兩種都有明顯的缺陷。下面對第三種方式進行介紹。

方法一：禁用中斷

缺點：

• 禁用中斷后，進程無法被停止。整個系統都會為此停下來，可能導致其他進程處于饑餓狀態
• 臨界區可能很長，無法確定響應中斷所需的時間（可能存在硬件影響）

方法二：軟件中斷

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缺點：

• 需要兩個進程間的共享數據項
• 需要忙等待，浪費CPU時間

方法三：原子操作指令

更高級的抽象方法實際是借助硬件的同步原語來實現的。

• 硬件提供了一些同步原語，包括中斷禁用、原子操作指令等，從硬件上保證多個操作的原子性。
• 操作系統提供更高級的編程抽象來簡化進程同，。實現方式有鎖、信號量。

鎖

鎖是一個抽象的數據結構，由一個二進制變量（鎖定/解鎖）和兩個操作原語（鎖的請求和鎖的釋放）組成。二進制變量用于標志鎖的狀態，鎖的請求使鎖在被釋放前一直等待，并且使進程得到鎖，這兩者是原子的，釋放鎖時喚醒其他等待鎖的進程。

內部基于CPU體系結構提供的一些特殊的原子操作指令，這些指令把若干個指令合并為一次原子操作，保證不會出現部分執行的狀態。這些原子操作指令包括測試和置位指令（Test-and-Set，即TS指令，返回內存地址中的值，并將其置為1）、交換指令（交換內存中的兩個值）。

基于TS指令可以實現如下圖所示的自旋鎖，自旋鎖的缺點是線程等待時消耗CPU時間。

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針對自旋鎖的問題，出現了無忙等待鎖，當鎖已經被占用時，將自身線程放入等待隊列，并調用調度程序。當其他線程釋放鎖時會將所有等待中的線程重新喚醒。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的清华大学《操作系统》（十二）：临界区与锁的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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