同步與互斥

在多道程式系統中，由於程序併發，資源共享與程序協作，使得程序間可能產生兩種形式的制約：

1、間接相互制約：源於資源共享，如果程序ab共享一種資源，如果a請求資源時發現程序b正在訪問這種資源，那麼程序a就進入阻塞佇列，當程序b釋放資源，程序a被喚醒到就緒狀態

2、直接相互制約：源於程序協作，如果程序a通過單項緩衝向程序b提供資料，當緩衝為空程序b得不到資料而進入阻塞佇列，一旦a程序的資料進入緩衝，程序b被喚醒，反之，緩衝滿了，則a被阻塞，只有b取走資料後a才能被喚醒

程序同步：同步程序的直接相互制約

程序互斥：源於間接相互制約，資源共享，保證每次只有乙個程序訪問共享資源

臨界資源：一次只允許乙個程序訪問的資源

臨界區：訪問臨界資源的那段程式

同步準則：空閒就進，遇忙則等，有限等待（對要求進入的程序，應在有限的時間內進入，避免死等），讓權等待（對於等待程序要立即釋放處理機，避免程序忙等）

實現臨界區互斥的基本方法：

1、單標誌位：

程序1：

while（turn!=0）;

do_something

turn = 1;

程序2while(turn!=1);

do_something

turn = 0;

演算法設定了乙個標誌位，0時候允許程序1進入臨界區，1時候執行程序2進入臨界區，弊端：了，兩個程序必須交替進入臨界區

2、雙標誌位先檢查：

while（flag[j]）;1

flag[i] = true;3

do_something

flag[i] = false;

程序2while（flag[i]）;2

flag[j] = true;4

do_something

flag[j] = false;

優點可以連續使用，確定如果按照1234的順序執行，可能兩個程序同時進入臨界區

2、雙標誌位後檢查：

flag[i] = true;

while（flag[j]）;

do_something

flag[i] = false;

程序2flag[j] = true;

while（flag[i]）;

do_something

flag[j] = false;

先置位後檢查，可以克服上個演算法的缺點，但是有可能兩個程序先後置位後雙方都不能進入臨界區

4、peterson algorithm

flag[i] = true;

turn = j;

while（flag[j]&&turn == j）;

do_something

flag[i] = false;

程序2flag[j] = true;

turn = i;

while（flag[i]&&turn == i）;

do_something

flag[j] = false;

增加乙個標誌位turn表示不允許某程序進入臨界區，可以使得只有乙個程序進入臨界區

完全用軟體方式實現同步和互斥機制，有很大的侷限性，用硬體支援的原子性指令（如ts指令和swap指令），可以使操作不會打斷，可以解決臨界區問題

1、檢測和設定ts指令

乙個bool值false的時候沒有程序使用，true的時候有程序使用

while ts（&lock）;

do_something

lock = false;

2、swap指令

key = true;

doswap(&lock,&key);

}while(&key);

do_something

lock = false;

硬體方法的有點：適用於任意數目的程序，簡單容易驗證正確性，如果有多個臨界區，只要為每個臨界區設立乙個bool變數

缺點：等待要耗費處理機時間，不嫩做到讓權等待，可能出現飢餓，可能出現死鎖

訊號量之前提到的演算法都是平等程序間的協商機制，作業系統可以從程序管理者的角度來處理互斥問題，訊號量就是一種有效手段

訊號量是乙個荷蘭科學家2023年提出，p，v都是荷蘭語的首字母，由乙個二元組組成，乙個int初始非負，乙個初始狀態為空的等待佇列（pcb佇列）int大於零表示資源個數，小於零表示排隊程序數，p為減一，v為加一。

p操作：

int--；申請乙個資源

if（int<0）表示沒有空閒資源

程序進入等待佇列

阻塞程序

v操作int++;釋放乙個資源

if（int<=0）表示有程序處於阻塞狀態

從等待佇列取出乙個程序

程序進入就緒佇列，喚醒乙個程序分配處理機

互斥模型實現：

typedef int semaphore;

semaphore mutex = 1;

p1p(mutex);

do_something

v(mutex);

p2p(mutex);

do_something

v(mutex);

同步模型（p1生產，p2消費）

typedef int semaphore;

semaphore mutex = 0;p1

do_something

v(mutex);

p2p(mutex);

do_something

管程：用訊號量和pv操作，訊號量的操作分散在程序中，易讀性，維護性，正確性難以保證

管程定義：共享資源用資料結構表示時候，資源管理程式可以定義一組過程處理資源，把這組過程和資料結構叫做管程，3部分共享資料，過程方法和初始化，任何時候只有乙個程序可以在管程中執行，管程需要編譯器支援

經典的同步互斥問題：

死鎖：兩個以上的程序無限期的等待不會發生的條件，處於一種停滯狀態，產生死鎖的原因：推進順序不當，對互斥資源分配不當

四個必要條件：

互斥條件（一次只能有乙個程序使用資源），占用並請求（部分占用，還要請求更多資源），非剝奪條件，迴圈等待（請求資源的程序形成了迴圈）

處理策略：

1、忽略：鴕鳥演算法

2、死鎖檢測和恢復：根據保有的資源資訊定期檢查是否有死鎖（有向圖法和矩陣法），然後處理1、資源剝奪（掛起程序釋放資源）2、程序撤銷（撤銷占用資源多或者代價小的程序），程序回退（如果有程序歷史資訊，可以回退到無死鎖狀態），重啟系統。

3、死鎖避免：銀行家演算法，規定安全順序和非安全順序，安全一定不會死鎖，不安全可能有死鎖

4、預防死鎖：打破四個必要條件

由於鎖獲取順序產生的死鎖：

thread1：

a.clock()

b.clock()

thread2

b.clock()

a.clock()

順序不同造成死鎖，處理方法1改變順序

2一次獲得兩個鎖

用getlock（a,b）偽**一次獲得兩個鎖

在windows裡面有waitformultipleobjects系統呼叫

執行緒之間的關係有三種：無關係，共享，同步。

程序之間通訊、協調、通過一些事件通知或等待互斥鎖的釋放方面，不同的平台所支援的方式不一樣

多程序共享資料代價大於執行緒，因為涉及序列化與反序列化的開銷。一些ipc手段是單機os支援的，到了多機的分布式系統上要自己實現，而且效能有問題，網線頻寬問題

同步與互斥

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