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操作系统Lesson8 - 同步互斥机制和编程方法

🕗 发布于 2024-12-08 23:46 操作系统  笔记  

文章目录

忙等互斥与睡眠唤醒

为了解决多个进程之间的操作不会相互干扰，于是有了这两种操作。

  • 忙等互斥：小时间事件适用
  • 睡眠与唤醒：长时间事件适用

阻塞：睡眠
忙等：自旋锁
内核中有些适合忙等，因为睡眠需要维护睡眠队列等结构，耗时长，有时不如忙等。

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如何解决

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禁止多个进程同一时刻对共享资源进行读写

  • 共享资源包括：共享内存、共享文件等

进程0-3G独立资源，3~4G共享内核，而文件资源等都是共享的

设立临界区

临界区：将一块共享资源框起来，这段代码就叫临界区。

确保一个或多个进程不会在同一时间对同一共享资源（包括但不限于共享内存、共享文件等）进行读写操作。这要求实现一种称为 互斥（Mutual Exclusion） 的机制，即当一个进程正在使用某共享资源时，其他进程必须被阻止访问该资源。

为了正确高效操作临界区资源，对临界区的锁操作需要遵循以下四个原则：空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待

忙等互斥

为了解决互斥问题，下面列出了多种方法。

屏蔽中断

我直接把其他任务对CPU的打屏蔽了不就行了，就可以独占CPU了。

中断分为两种：
外部IO中断、时钟中断

长期屏蔽中断，CPU无法接收IO消息，也无法被时间片打断，也就无法被其他任务调度，如果此时发生错误，CPU也接收不到中断，会导致死机。

执行方法：程序一进入临界区就屏蔽中断，完成后恢复。

可行性

进程进入临界区由谁决定？

  • 如果是用户进程，程序员可决定，那黑客程序怎么办？
  • 所以一般不会给用户，内核来做

对单核处理系统上，最简单

由于多核CPU执行屏蔽中断代码，只是针对自己一个CPU，而其它CPU不知道，所以使用TSL、XCHG指令，用来把整条数据线掐断。

所以说屏蔽中断一般很短

锁变量

锁分两种：自旋锁和互斥锁
自旋锁：

  • 忙等锁，不放弃CPU，轮询CPU，不断查询。
  • 适合小周期

互斥锁：

  • 阻塞行为，一旦发现资源不可用，睡眠，放弃CPU，等待被另外的程序 段唤醒
  • 适合大周期

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如果用int数据类型定义自旋锁：

  • 我们由上节课可知，从内存取变量分为三步：取出，操作，写回；
  • 如果在判断成功后准备将锁置为1时时间片到了，那么锁还是0，被另一个进程抢到然后进入资源区，两个人进入同一资源区，就会造成严重后果。

所以说用软件基本对此（互斥）无能为力。
于是提出了原子变量：执行期间无法打断，要么不开始，要么做完。

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由于早期硬件跟不上，于是还是借助软件，实现了：自旋锁。
提供接口：
spin_lock();关中断，写入、读取数据
spin_unlock();开中断
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现在：有专门的指令集来（TSL）对此操作，特性：测试设置、比较交换。
而对于之前的接口，软间实现不变，OS根据硬件是否支持硬件中断来决定是否翻译为TSL指令集。

严格轮询法

单变量轮询：

  • 用进程号turn来规定谁能进入临界区;
  • 弊端：
    • 进程0的非临界任务很长，当进程1完成临界任务后将变量设为进程0的进程号后，很快执行完了非临界的任务，
    • 然而变量还是进程0的进程号，进程1没办法访问临界区资源了，违背了空闲让进原则。
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Peterson算法

有两种：谦让型、主动自信型

问题代码：两个人互相谦让，造成死锁。

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enter函数中：

  • 进程0先抢到时间片执行，将自己状态更新为感兴趣，此时时间片结束；
  • 进程1也之开始执行这个代码段，也将自己的状态更新为感兴趣；
  • 造成死锁，两人互相谦让。

解决方案

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引入turn，等待条件改变：检查对方是否想使用，且谦让轮到他

  • 首先将自己的状态改为感兴趣；
  • 然后尝试谦让给另一个进程：
    • 如果对方进程不感兴趣，我直接就能进入临界区访问资源；
    • 如果对方也感兴趣，就会检查谦让的这个turn轮到谁了，轮到谁，谁能访问，另一个轮询阻塞。

但是未遵循让权等待原则，因为当初设计的时候也没想到这方面。

主动自信型：谁先举手谁先发言。

// 记录当前“轮到”哪个进程进入临界区
int turn;
// 记录每个进程是否有意愿进入临界区
int interested[N];
// 进程号为0或1的进程进入临界区的函数
void enter_region(int process) {
int other = 1 - process; // 计算另一个进程的编号
// 标记本进程希望进入临界区
interested[process] = TRUE;
turn = process; // 尝试将turn设置为当前进程号
// 等待条件：如果turn仍然指向当前进程且另一个进程仍有意愿进入
while (turn == process && interested[other] == TRUE) {
// 忙等待，直到条件不满足
}
}
// 进程离开临界区的函数
void leave_region(int process) {
// 标记本进程已离开临界区
interested[process] = FALSE;
}

TSL指令

从硬件方面锁定，会将总线锁定，其他所有CPU都无法访问，来解决多核问题.
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释放锁无需原子操作

XCHG也是类似的指令，都是将之前的状态读出来并测试。
由于硬件指令提供，一个周期就做完了，能实现多CPU操作


原文地址：https://blog.csdn.net/2301_78981471/article/details/144316402

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