01 程序同步

1、程序同步的背景

有乙個環形緩衝池，包含n個緩衝區（0~n-1）(如下圖所示：)。有兩類程序：一組生產者程序和一組消費者程序，生產者程序向空的緩衝區中放產品，消費者程序從滿的緩衝區中取走產品。

2、生產者程序：

while (true
)

3、消費者程序：

while (true

)s1: producer execute register1 = register1+1

s2: consumer execute register2 = count

s3: consumer execute register2=register2-1

s4: producer execute count = register1

s5: consumer execute count = register2

正確結果應該是：「count = 5」，現在的結果是：「count = 4」

在多道程式環境下，這裡兩道程式，程序併發執行，不同程序存在相互制約的關係。為了協調該關係，避免程序衝突，引入了程序同步。

4、程序同步的概念：

臨界資源：一次僅允許乙個程序使用的資源稱為臨界資源。比如：印表機、共享變數等。

臨界區：是指併發程序中訪問臨界資源的程式段。

進入區：檢查是否可以進入臨界區，若可以，設定正在訪問臨界區標誌。

退出區：清除正在訪問臨界區標誌。

程序的互斥是指若干個程序要使用同一共享資源時，任何時刻最多允許乙個程序去使用，其它要使用該資源的程序必須等待，直到占有資源的程序釋放該資源。

程序的同步是解決程序間協作關係的手段。指乙個程序的執行依賴於另乙個程序的訊息，當乙個程序沒有得到來自於另乙個程序的訊息時則等待，直到訊息到達才被喚醒。

程序互斥關係是一種特殊的程序同步關係。

5、臨界區訪問原則：

互斥訪問– 若已有程序進入臨界區，則其他的程序必須等待其離開臨界區，釋放臨界資源。（忙則等待）

前進– 若沒有程序處於其臨界區，應允許乙個請求進入臨界區的程序立即進入臨界區，訪問臨界資源。（空閒讓進）

有限等待– 對請求訪問的程序，應保證能在有限的時間內進入臨界區，避免進入「死等」。（避免死鎖問題）

讓權等待– 當程序不能進入臨界區時，該程序應釋放處理機，以免進入「忙等」狀態。

6、程序同步的實現方法-----軟體實現

在進入區設定和檢查一些標誌來標明是否有程序在臨界區，若有則在進入區迴圈檢查進行等待，程序在退出區修改標誌，以允許別的程序進入臨界區。

peterson 演算法

1981年，由peterson提出，滿足臨界區訪問的4原則。設有兩個程序pi和pk，且load和store指令是原子操作。pi和pk共享兩個變數:

intturn;

boolean flag[

2] ;

變數 turn：turn==i表示pi可進入其臨界區。

陣列 flag ：

flag[i] = true表示程序pi請求進入臨界區!

pi程序：

while (true
)

pk程序：

while (true
)

若pi和pk同時請求進入臨界區，while中的turn變數可保證只允許乙個進入臨界區,從而實現了互斥。考慮pi程序的**，flag[i] = true;意味著pi想進入臨界區，同時將turn設定為k, 若pk在臨界區，則pi的while條件為真，pi等待。若pk不在臨界區，則flag[k]為false，pi進入臨界區，從而避免了死等。

7、程序同步的實現方法-----硬體方法

很多系統都提供了解決臨界區問題的硬體支援。對於單處理器環境 – 「禁止中斷」併發程序可以無缺省地執行限制了交替執行程式的能力，執行效率明顯降低。許多現代計算機系統提供了特殊的原子（執行該**時不允許被中斷）機器指令：

testandset指令：讀出標誌並把該標誌設定為true。

swap指令：交換兩個記憶體字的內容。

8、訊號量

dijkstra發明了兩個訊號量操作原語：p操作原語和v操作原語。常用的其他符號有：wait和signal；up和down等。（原語是作業系統核心中執行時不可中斷的過程，即原子操作）除賦初值外，訊號量僅能由同步原語對其進行操作，沒有任何其他方法可以檢查和操作訊號量。利用訊號量和p、v操作既可以解決併發程序的競爭問題，又可以解決併發程序的協作問題。

整型訊號量：

記錄型訊號量：

實現同步：

實現互斥：

前驅圖：

//其他**

經典同步問題有：生產者----消費者問題

讀者--寫者問題

哲學家進餐問題

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