互斥與同步的解決策略 當前，利用軟件方法、硬件方法、信號量方法、管程方法、消息傳遞方法都可以有效地解決進程間的互斥與同步，其中信號量的方法更具有優(yōu)勢（目前已經通用）。

1. 軟件方法：

軟件方法是指由進程自己，通過執(zhí)行相應的程序指令，實現與別的進程的同步與互斥，無須專門的程序設計語言或操作系統(tǒng)的支持。實踐證明，該方法很難正確控制進程間的同步與互斥，而且可能會大大地增加系統(tǒng)的額外開銷。?

軟件解決方法有很多種，比較有代表性的軟件方法有荷蘭數學家Dekker提出的Dekker算法和科學家G.L.Peterson提出的Peterson算法。為了說明設計并發(fā)程序時可能出現的典型錯誤，下面以Dekker算法為例，分析如何設計并改進一個互斥算法的過程。

1.1 初步設想

suppose1：控制兩個進程互斥進入臨界區(qū)，可以讓兩個進程輪流進入臨界區(qū)。
suppose2：當一個進程正在臨界區(qū)執(zhí)行時，另一個進程就不能進入臨界區(qū)，而在臨界區(qū)外等待。

評價： 1.該方法可以保證互斥。【相互依賴對方賦予使用的權限】 2.會造成忙等現象，此時互斥的進程并不是處于阻塞狀態(tài)，而是在不斷的循環(huán)檢測。 3.進程嚴格交替進入臨界區(qū)。如果進程需要多次使用臨界區(qū)，那么使用臨界區(qū)頻率低的進程嚴重制約著使用臨界區(qū)使用頻率高的進程的執(zhí)行。【也就是說，如果不交替執(zhí)行一次，A進程無法持續(xù)的推進】 實例： suppose：P0需要每10分鐘使用一次臨界區(qū)，P1需要每1分鐘使用一次臨界區(qū)。
A. 假設turn的初值為0，進程P0正好先請求進入臨界區(qū)，并成功進入臨界區(qū)執(zhí)行，這時，如果P1申請進入臨界區(qū)，循環(huán)檢測turn=0，不可以進入，只能“空”循環(huán)，等待。
B. 當P0退出臨界區(qū)時，修改turn的值為1。P1循環(huán)檢測到turn = 1時，就可以進入臨界區(qū)執(zhí)行，退出臨界區(qū)時，修改turn=0。
C. 根據假設，P1很快又需要進入臨界區(qū)，但是P0卻只能在10分鐘之后，按照turn規(guī)定的順序，進入臨界區(qū)執(zhí)行，退出時修改turn=1。
即P1必須在臨界區(qū)空閑的情況下，等待10分鐘，才能使用臨界區(qū)。這不符和互斥原則，降低了系統(tǒng)性能。

1.2 第一次改進

可以為臨界區(qū)設置一個狀態(tài)標志，標明臨界區(qū)是否可用。當臨界區(qū)空閑時，任何一個進程都能進入，但此時必須修改臨界區(qū)標志為“被占用”，別的進程就不能進入臨界區(qū)。當臨界區(qū)使用完畢，必需修改該標志為“空閑”。
這樣就不再使諸進程嚴格交替使用臨界區(qū)，而且，如果某進程在臨界區(qū)外失敗，也不會影響其它進程。其算法描述如圖所示:


分析： 1. 如果進程在臨界區(qū)外失敗，其他進程不會阻塞。
2.?問題1：“忙等” 3.?問題2：若進程在臨界區(qū)內失敗且相應的flag為true，則其他進程永久阻塞。 4. 問題3：不能保證進程互斥進入臨界區(qū)。試按以下順序執(zhí)行：

1.3 第二次改進

互斥算法的第一次改進不能實現 “互斥” 。因為，進程首先檢測臨界區(qū)狀態(tài)，若“被占用”，則“忙等”，否則就直接進入臨界區(qū)。從而，可能出現同時進入臨界區(qū)的現象。能否讓進程預先表明“希望進入臨界區(qū)的態(tài)度”，然后，再檢測臨界區(qū)狀態(tài)。第二次改進。

分析： 1.?假設P0需要進入臨界區(qū)，首先執(zhí)行flag[0]:=true，再執(zhí)行while flag[1]，若P1正在占用臨界區(qū)，則P0忙等；否則，P0進入臨界區(qū)。 2.?但是，如果此時P1未占用臨界區(qū)，而與P0幾乎同時需要使用臨界區(qū)，如下圖示：

1.3?第三次改進

互斥算法的第二次改進可能導致死鎖，因為P0、P1都“堅持自己的權利，執(zhí)意進入臨界區(qū)，且互不謙讓”。可以考慮，允許進程既表明需要進入臨界區(qū)的“態(tài)度”，又能相互“謙讓”。即首先表示自己需要使用臨界區(qū)，再檢測臨界區(qū)的狀態(tài)，若臨界區(qū)“被占用”，可以等一小段時間再申請。算法如圖所示：

分析： P0、P1的“謙讓”可能使它們都不能進入臨界區(qū)。這種現象不是死鎖，因為這種僵局不會是永久行為，某一時刻可能會自動解除。但是，這種現象也是不希望出現的。

1.4?Dekker互斥算法?

該算法既允許進程“謙讓地”申請進入臨界區(qū)，又通過給定序號避免“過分謙讓”。偽代碼描述如下：

1.5?Peterson互斥算法

分析P0的執(zhí)行：
置flag[0]:=true;{阻止P1進入臨界區(qū)}
執(zhí)行while flag[1]
?false, P0進入臨界區(qū)，執(zhí)行完成，置
? ? ? ? flag[0]:=false;
?true, P0循環(huán)等待，只要P1退出，即可 ? ??
? ? ? ? ?進入

2. 硬件方法：

為了解決軟件方法存在的不足，有人提出了硬件解決方法，通過屏蔽中斷或采用專門的機器指令控制同步與互斥。與軟件解決方法比較，這種方法減少了系統(tǒng)額外開銷，但由于需要太強的硬件約束條件，以及可能導致進程饑餓與死鎖現象，一直沒有成為通用的解決方法。?
采用軟件方法實現進程互斥使用臨界資源是很困難的，它們通常能實現兩個進程的互斥，很難控制多個進程的互斥。算法設計需要非常小心，否則可能出現死鎖，或互斥失敗等嚴重問題。軟件方法始終不能解決“忙等”現象，降低系統(tǒng)效率。硬件方法包括屏蔽中斷和專用機器指令。

2.1 屏蔽中斷

由于進程切換需要依賴中斷來實現，如果屏蔽中斷，則不會出現進程切換。
因此，為了實現對臨界資源的互斥使用，可以在進程進入臨界區(qū)之前，屏蔽中斷,當進程退出臨界區(qū)時，打開系統(tǒng)中斷。中斷被屏蔽以后，系統(tǒng)時鐘中斷也被屏蔽。處理機將不會被切換到其他進程。于是，一旦屏蔽中斷，進程就可以檢查和修改共享內存區(qū)中的數據，而不必擔心其他進程介入。其偽代碼如下： repeat
<屏蔽中斷>;
<臨界區(qū)>;
<打開中斷>;
<其余部分>
forever.
分析： 這種方法約束條件太強，付出的代價太大；因為中斷被屏蔽以后，系統(tǒng)將無法響應任何外部請求，也不會響應當前執(zhí)行進程的任何異常及系統(tǒng)故障，嚴重地降低了處理機性能。這種方法僅對單處理機系統(tǒng)有效，如果系統(tǒng)有兩個或多個共享內存的處理機，屏蔽中斷僅僅對執(zhí)行本指令的處理機有效，其它處理機仍將繼續(xù)運行，并可以訪問共享內存空間。

2.2?專用機器指令

利用一些專用機器指令也能實現互斥，機器指令在一個指令周期內執(zhí)行，不會受到其它指令的干擾，也不會被中斷。Test and Set指令就是較常用的一種機器指令，其定義如下：?
function testset ( var i:integer ) : boolean ;beginif i = 0 thenbegini := 1;testset := true;endelse testset :=false;end.program mutualexclusion; const n=…; /*進程數*/ var bolt:integer; procedure P(i:integer); beginrepeat repeat {nothing} until testset (bolt);<臨界區(qū)>;bolt :=0;<其余部分>forever end; begin /* 主程序*/bolt :=0;parbeginP(1);P(2);…P(n)parend end.

2.3?exchange指令

procedure exchange ( var r :register; var m :memory ); var temp; begintemp := m;m := r;r := temp; end. program mutualexclusion; const n=…; /*進程數*/ var bolt:integer; procedure P(i:integer); var key:integer; beginrepeatkey:=1;repeat exchange(key,bolt) until key=0;<臨界區(qū)>;exchange(key,bolt);<其余部分>foreverend; begin /* 主程序*/bolt :=0;parbeginP(1);P(2);…P(n)parend end.

2.4?機器指令優(yōu)點

非常簡單，易于證明；同時適合于單處理機系統(tǒng)和共享內存的多處理機系統(tǒng)中多個進程的互斥；可以分別為臨界區(qū)設置屬于它自己的變量，以實現對多個臨界區(qū)的互斥訪問。
“忙等” 現象仍然存在。進程都需要循環(huán)檢測，等待時機進入臨界區(qū)。但是，由于采用了機器指令，這種“忙等”消耗的機器時間比軟件方法小，屬于“可接受的忙等”。可能出現饑餓現象。當臨界區(qū)空閑時，執(zhí)行循環(huán)檢測的若干等待進程能進入臨界區(qū)的機率是相等的，有的進程可能“運氣”非常不好，很難有機會進入臨界區(qū)，而饑餓。
還有可能導致死鎖。
例如，進程P1的優(yōu)先級低于P2的優(yōu)先級，若P1通過執(zhí)行專用機器指令，進入臨界區(qū)，且在臨界區(qū)內被中斷，P2被調度執(zhí)行。若P2也需要進入該臨界區(qū)，由于臨界區(qū)被P1占用，P2 “忙等” 。由于P1的優(yōu)先級低于P2，調度程序不可能強行剝奪P2的執(zhí)行而調度P1。這樣，P1將一直占用臨界區(qū)被中斷，P2一直“忙等”，如果沒有外力的作用，這種“僵持”狀態(tài)將一直保持下去，即系統(tǒng)出現死鎖。

3.信號量（semaphores）方法

軟件方法和硬件方法都存在“忙等”問題，浪費了處理機的時間。信號量方法能實現進程的互斥與同步，而不必“忙等”。(交通信號燈：紅燈停，綠燈行就是典型的信號量實例)

3.1 原理

兩個或多個進程可以通過傳遞信號進行合作，可以迫使進程在某個位置暫時停止執(zhí)行（阻塞等待），直到他收到一個可以“向前推進”的信號（被喚醒）。像影帝，將實現信號燈作用的變量稱為信號量，常定義為記錄型變量s，其中一個域為整型，另一個域為隊列，其元素為等待該信號量的阻塞進程（FIFO）。

3.2 信號量定義及兩個原子操作

type semaphore = record conut:integer; queue:list of process end;
var s: semaphore; ======================== wait(s) 和 signal(s) ======================== wait(s) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? signal(s) s.count : = s.count - 1; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? s.count := s.count + 1; if s.count < 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? if s.count <=0 then begin ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?then begin 進程阻塞 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?喚醒隊首進程 進程進入s.queue隊列； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 將進程從s.queue阻塞隊列中移除 end; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?end; 進程進入臨界區(qū)之前，首先執(zhí)行wait(s)原語，若s.count<0,則進程調用阻塞原語，將自己阻塞，并插入到s.queue 隊列中進行排隊。 注意，阻塞進程不會占用處理機時間，不是“忙等”。直到某個從臨界區(qū)退出的進程執(zhí)行signal(s)原語，喚醒它。 一旦其他某各進程執(zhí)行了signal（s）原語中的s.count+1操作之后，發(fā)現s.count<=0，即阻塞隊列中還有被阻塞進程，則調用喚醒原語，把s.queue中第一個進程修改為就緒狀態(tài)，送就緒隊列，準備執(zhí)行臨界區(qū)代碼。

3.3 利用信號量實現互斥的通用模式

count n=....; //進程數 var s:semaphore(:=1); //定義信號量s,s.count初始化為1 procedure P(i:integer) begin repeat wait(s);// <臨界區(qū)> signal(s); <其余部分>

forever

end;

begin ?//主程序

parbegin

P(1),P(2);......P(n)

parend

end

4.管程方法/*待研究*/

5.消息傳遞方法/*待研究*/

總結

以上是生活随笔為你收集整理的[OS复习]进程互斥与同步2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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