文章目錄

• 1. 背景
• 2. 同步問題的一個例子
• 3. 同步問題的初步解決方案
• 1. 方法一 禁用硬體中斷
• 2. 方法二 基於軟體的同步辦法
• 3. 方法三 更高階的抽象方法

1. 背景

同步互斥是作業系統協調程序之間動作和相互關係中的機制。互斥是指當一個程序在臨界區訪問共享資源時，其他程序不能進入該臨界區訪問任何共享資源。為實施互斥，程序之間就要採用同步機制。

1. 併發程序的正確性
   
2. 程序併發執行的好處

   共享資源

   
   加速:I/O操作和CPU計算可以重疊，程式可分為多個模組在多個處理器上並行執行
   模組化:將大程式分解成小程式，使系統易於複用和擴充套件。

3. 原子性操作
   原子性操作時作業系統硬體提供的操作，它保證一些執行語句必須是原子操作。
   

2. 同步問題的一個例子

本節用一個簡單的生活問題來理解同步。（具體分析過程詳見視訊：同步問題）

1. 下圖中，如果A和B的按照圖中的順序執行的話，就會出現麵包重複購買的情況
   
   首先來分析下這個問題：
   

2. 解決方案
   利用兩個原子操作來實現一個鎖（lock）

   Lock.Acquire():在鎖被釋放之前一直等待，然後獲得鎖，如果兩個程序都在等待同一個鎖，並且同時發現鎖被釋放了，那麼只有一個獲得鎖，另一個仍處於等待
   Lock.Release()

   :解鎖並喚醒任何等待中的程序

   

3. 程序的互動關係
   

3. 同步問題的初步解決方案

臨界區：程序中訪問臨界資源的一段需要互斥執行的程式碼（也就是說有一個程序在訪問臨界區程式碼，另一個程序就不能訪問該程式碼）
進入區：檢查可否進入臨界區的一段程式碼，如可進入，則設定相應“正在訪問臨界區”標誌‘
退出區：清楚“正在訪問臨界區標誌”
剩餘區：程式碼的其餘部分
臨界區訪問規則
空閒則如：沒有程序在臨界區，則任何程序可以進入
忙則等待：有程序在臨界區，其他程序均不能進入臨界區
有限等待：等待進入臨界區的程序不能無限制等待
讓權等待（可選）：不能進入臨界區的程序，應釋放CPU(比如轉換到阻塞狀態)

1. 方法一 禁用硬體中斷

也就是禁止硬體中斷的響應，相當於把中斷使能關掉了。

2. 方法二 基於軟體的同步辦法

該方法就是通過程序共享一些共有變數來實現執行緒的同步。該方法的特徵一是複雜（需要兩個程序間的共享資料項），二是需要忙等待，浪費CPU時間。

1. 示例
   

2. Peterson演算法
   

   第一種情況：另外一個程序Tj沒有申請進入，則此時flag[j]為false，Ti可以正常進入臨界區
   第二種情亂：Tj申請進入，flag[j]為true，則先寫turn語句的會進入臨界區。比如說是Ti先寫turn=j，則此時Ti 進不去（while兩個條件都滿足，會一直迴圈），然後Tj寫turn（turn=i）後，Ti就會立馬進去了，Ti執行完臨界區程式碼後，flag[i]=false，則Tj就可以進去了。

   

3. Dekkers演算法
   
   

3. 方法三 更高階的抽象方法

硬體提供了一些同步原語，比方說中斷禁用、原子操作指令等，作業系統提供了更高階的程式設計抽象來簡化程序的同步，比方說鎖、訊號量（這兩個都是用硬體原語來構建的）

1. 鎖
   鎖是一個抽象的資料結構，它由一個二進位制變數（鎖定/解鎖）和兩個操作原語組成。它是基於原子操作指令來實現的

   Lock.Acquire():在鎖被釋放之前一直等待，然後獲得鎖，如果兩個程序都在等待同一個鎖，並且同時發現鎖被釋放了，那麼只有一個獲得鎖，另一個仍處於等待
   Lock.Release():解鎖並喚醒任何等待中的程序

2. 原子操作指令
   CPU體系結構中提供了一些特殊的原子操作指令，這些指令把若干個操作合成一個原子操作，保證這些操作之間不會部分執行的狀態。

   • TS指令
     
   • 交換指令（交換記憶體中的兩個值）
     

3. 使用TS指令實現自旋鎖
   
   

4. 原子操作指令鎖的特徵
   

5. 同步方法總結