OS學習筆記四：同步機制

一、 程式互斥

1、程式互斥

• 由於各 程式 要求使用共享資源（ 變數 、檔案等），而 這些 資源需要排他性使用各程式之間 競爭使用這些 資源—— 這一關係稱為 程式互斥

• 臨界資源：critical resource
  系統中某些資源一次只允許一個程式使用，稱這樣的資源為 臨界資源 或 互斥資源 或 共享變數

• 臨界區( ( 互斥區) ) ：critical section(region)
  各個程式中對某個臨界資源（共享變數）實施操作 的程式 片段

2、臨界區（互斥區）使用原則

• 沒有程式在臨界區時，想進入臨界區的程式可進入

• 不允許兩個程式同時處於其臨界區 中

• 臨界區外執行的程式不得阻塞其他程式進入臨界區

• 不得使程式無限期等待進入臨界區

3、實現互斥的解決方法

• 軟體方案

  • Dekker 解法、Peterson 解法

• 硬體 方案

  • 遮蔽中斷、TSL(XCHG) 指令

二、程式同步

1、程式同步

程式同步：synchronization 指系統中多個程式中發生的事件存在某種時序關係 ，需要相互合作，共同完成一項任務

具體地說，一個程式執行到某一點時，要求另一夥伴程式為它提供訊息，在未獲得訊息之前，該程式進入阻塞態，獲得訊息後被喚醒進入就緒態

三、訊號量及PV操作

1、訊號量及PV操作

• 一個特殊變數

• 用於程式間傳遞 信 息 的 一個整數值

• 定義如下：

struc semaphore
{
    int     count;
    queueType   queue;
}

• 對訊號量可以實施的操作：初始化、P 和V （P 、V 分別是荷蘭語的test(proberen) 和increment(verhogen) ）

2、p、v操作定義

P( s )
{
    s.count--;
    if ( s.count < 0 )
    {
        該進 狀 態 置 為阻 塞 狀 態 ；
        將 該進 插入相應的等待 隊
        列 s.queue 末 尾 ；
        重新 調 度 ；
    }
}

P( s )
{
    s.count--;
    if ( s.count < 0 )
    {
        該進 狀 態 置 為阻 塞 狀 態 ；
        將 該進 插入相應的等待 隊
        列 s.queue 末 尾 ；
        重新 調 度 ；
    }
}

3、有關說明

• P 、V 操作為原語 操作(primitive or atomic action)

• 在 訊號量上定義了三個操作：初始化( 非負數) 、P 操作、V 操作

• 最初提出的是二元訊號量 （解決互斥 ）之後， 推廣 到一般訊號量（多值）或計數訊號量（解決同步）

四、管程的基本概念

1、管程的定義

• 是一個特殊的模組

• 有一個名字

• 由關於共享資源的資料結構及在其上操作的一組過程組成

2、程式與管程

程式 只能通過呼叫 管程中的過程 來間接地訪問管程中的資料結構

3、管程需要保證什麼？

• 作為一種同步機制，管程要解決兩個問題

• 互斥

  • 管程是 互斥 進入 的（為了保證管程中資料結構的資料完整性）
  • 管程的互斥性是由編譯器負責保證的

• 同步

  • 管程中設定 條件 變數及等待/ 喚醒操作 以 解決同步問題
  • 可以讓一個程式或 執行緒在 條件變數上等待（此時，應先釋放管程的使用權），也可以通過傳送訊號將等待在條件變數上的程式或執行緒喚醒

五、管程小結

• 管程 ： 抽象資料型別

  • 有一個明確定義的操作集合，通過它且只有通過它才能操縱該資料型別的例項

• 實現管程結構必須保證下面幾點：

  • （1）只能通過管程的某個過程才能訪問資源；

  • （2） 管 程是互斥的 ， 某個時刻只能有一個程式或執行緒呼叫 管程中 的過程

• 條件變數：為 提供程式與其他程式通訊或同步 而引入

  • wait/signal 或 wait/notify 或 wait/broadcast

六、程式間通訊

1、基本通訊方式

• 訊息傳遞

• 共享 記憶體

• 管道

• 套接 字

• 遠端過程呼叫

2、原子操作

• 不可分割，在執行完之前不會被其他任務或事件中斷

• 常用於實現資源的引用計數

3、屏障（BARRIER）

• 一種同步機制( ( 又稱柵欄、關卡) )

• 用於對一組執行緒進行協調

• 應用場景

  • 一組執行緒協同完成一項任務，需要所有執行緒都到達一個匯合點後再一起向前推進

本文整理自：《作業系統原理》北京大學_陳向群 講義
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作者：jiankunking 出處：http://blog.csdn.net/jiankunking