2.3程序同步
2.3 程序同步
程序間有什麼相互影響？
兩種制約關係：
間接相互制約關係：主要源於資源共享,表現為
程序A---印表機資源---程序B（互斥）
直接相互制約關係：主要源於程序合作，表現為
程序A寫緩衝---程序B讀緩衝（有序）
1.程序同步的基本概念
1）程序同步的主要任務：使併發執行的諸程序之間能有效地共享資源和相互合作，從而使程式的執行具有可再現性。
2）臨界資源：一次僅允許一個程序使用的資源2
理解同步
互斥：在作業系統中，當一個程序進入臨界區使用臨界資源時，另一個程序必須等待，直到佔用臨界資源的程序退出臨界區，我們稱程序之間的這種相互制約關係為“互斥”
同步：多個相互合作的程序，在一些關鍵點上可能需要互相等待或互相交換資訊，這種相互制約關係稱為程序同步關係。可理解為“有序”
3）臨界區
每個程序中訪問臨界資源的那段程式碼叫臨界區
為了正確同步，對臨界區的程式碼要增加控制
進入區：對欲訪問的臨界資源進行檢，若此刻未被訪問，設正在訪問的標誌
臨界區：訪問臨界資源的程式碼
退出區：將正在訪問的標誌恢復為未被訪問的標誌
剩餘區：其餘部分
“進入”和“退出”臨界區的處理對實現互斥尤其重要
4）同步機制應遵循的規則
實現互斥的方法應符合如下每條原則
空閒讓進：資源使用最基本原則
忙則等待：保證互斥
有限等待：合適時被喚醒防止死等
讓權等待：能主動釋放CPU防止忙等
硬體同步機制
許多計算機提供一些特殊的硬體指令，允許對一個字中的內容進行檢測和修正，或對兩個字的內容進行交換。利用這些特殊指令解決臨界區問題。
進入臨界區往往跟其標誌有關，可將標誌看作一個鎖，“鎖開”進入並關鎖，“鎖關”必須等待，初始時鎖是開啟的。
硬體指令機械操作可保證鎖開、關操作不被打斷；適用於任意數目的程序。但等待要耗費CPU時間，不能實現“讓權等待”，從等待程序中隨機選擇一個進入臨界區，有的程序可能一直選不上，難以實現較為複雜的程序同步問題。
2.訊號量機制
最初的訊號量機制，兩個原子操作對一個共享整型量進行操作。
訊號量定義為一個整型量；
根據初始情況賦相應的值；
僅能通過兩個原子操作來訪問。
P操作 wait(S):
While S<=0 do no-op;
S:=S-1;
V操作 signal(S):
S:=S+1;
2）記錄型訊號量
整型訊號量符合“有限等待”原則
signal釋放資源後，當CPU被分配給等待程序後，等待程序仍可繼續執行，可以符合“有限等待”
但整型訊號量不符合“讓權等待”原則
整型訊號量的wait操作，當s ≤0時，當前程序會佔著CPU不斷測試
訊號量原語不能被打斷，這個佔有CPU的程序會一直不斷的佔據CPU迴圈下去，陷入忙等
改進：條件不符時應能夠主動放棄CPU
新問題：放棄CPU的程序進入阻塞佇列：因等待某訊號量而放棄CPU的等待程序會有“若干”個，需將它們組織管理起來，並在合適的時候喚醒
訊號量結構資訊發生變化
不僅要有值的處理，還有佇列的處理
此時形成記錄型資料結構，包括兩部分：
整型變數value(代表資源數目) 程序連結串列L(連結所有等待程序)
程式碼描述：
type Semaphore=record
value：integer;
L：list of PCB;
end;
操作：S.Value，S.L
Value>0，表示當前可用資源的數量
Value≤0，其絕對值表示等待使用該資源的程序數，即在該訊號量佇列上排隊的PCB的個數
不僅修改資源數，還要處理程序的阻塞、喚醒等操作。先修改資源數，再判斷處理。
定義訊號量semaphore代表可用資源實體的數量。又叫訊號燈。當≥0，代表可供併發程序使用的資源實體數當<0，表示正在等待使用該資源的程序數。建立一個訊號量必須經過說明，包括訊號量所代表的意義 賦初值 建立相應的資料結構，以便指向等待使用臨界區的程序。除初值外，訊號量的值僅能由標準原子操作P、V操作來改變。PV操作是荷蘭語通過和釋放的意思。
3）訊號量的基本應用
實現程序互斥
實現程序間的前趨關係（有序）
互斥訊號量注意點：
互斥訊號量mutex初值為1；
每個程序中將臨界區程式碼置於P(mutex)和V(mutex)原語之間
必須成對使用P和V原語（在同一程序中），不能次序錯誤、重複或遺漏
遺漏P原語則不能保證互斥訪問
遺漏V原語則不能在使用臨界資源之後將其釋放（給其他等待的程序）
控制同步順序的注意點
訊號量值為0的點是限制的關鍵所在
成對使用P和V原語（在有先後關係的兩個程序中），不能次序錯誤、重複或遺漏，否則同步順序出錯
4）AND型訊號量
出現原因：
一些應用往往需要兩個或多個共享資源，而不是前述的一個資源，程序同時要求的共享資源越多，發生死鎖可能性越大
解決思想：
一次性分配給程序所需資源，用完一起釋放，Wait操作時對它所有需要的資源都要判斷，有AND條件，故稱“AND同步”、“同時wait”
5）訊號量集
引入原因：每次只能獲得或釋放一個單位的資源，低效；
某些時候資源分配有下限的限制；
修改：在大於可分配設定的下界值t前提下，每次可分配d個