操纵体系Lesson8 - 同步互斥机制和编程方法

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忙等互斥与就寝叫醒

为相识决多个历程之间的操纵不会相互干扰，于是有了这两种操纵。

• 忙等互斥：小时间事件适用
  
• 就寝与叫醒：长时间事件适用
  

阻塞：就寝
忙等：自旋锁
内核中有些适合忙等，由于就寝需要维护就寝队列等结构，耗时长，有时不如忙等。

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如何解决

克制多个历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
  

   历程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。
确保一个或多个历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）进行读写操纵。这要求实现一种称为 互斥（Mutual Exclusion） 的机制，即当一个历程正在利用某共享资源时，其他历程必须被制止访问该资源。
为了正确高效操纵临界区资源，对临界区的锁操纵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

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忙等互斥

为相识决互斥问题，下面列出了多种方法。
屏蔽停止

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。
停止分为两种：
外部IO停止、时钟停止
恒久屏蔽停止，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理，如果此时发生错误，CPU也接收不到停止，会导致死机。
实行方法：步伐一进入临界区就屏蔽停止，完成后恢复。

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可行性

历程进入临界区由谁决定？

• 如果是用户历程，步伐员可决定，那黑客步伐怎么办？
  
• 以是一样寻常不会给用户，内核来做
  

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对单核处理体系上，最简朴

由于多核CPU实行屏蔽停止代码，只是针对本身一个CPU，而别的CPU不知道，以是利用TSL、XCHG指令，用来把整条数据线掐断。
以是说屏蔽停止一样寻常很短

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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：

• 阻塞举动，一旦发现资源不可用，就寝，放弃CPU，等待被另外的步伐 段叫醒
  
• 适合大周期
  

如果用int数据范例定义自旋锁：

• 我们由上节课可知，从内存取变量分为三步：取出，操纵，写回；
  
• 如果在判断乐成后准备将锁置为1时时间片到了，那么锁照旧0，被另一个历程抢到然后进入资源区，两个人进入同一资源区，就会造成严峻后果。
  

以是说用软件根本对此（互斥）无能为力。
于是提出了原子变量：实行期间无法打断，要么不开始，要么做完。

由于早期硬件跟不上，于是照旧借助软件，实现了：自旋锁。
提供接口：
spin_lock();关停止，写入、读取数据
spin_unlock();开停止

现在：有专门的指令集来（TSL）对此操纵，特性：测试设置、比较交换。
而对于之前的接口，软间实现稳定，OS根据硬件是否支持硬件停止来决定是否翻译为TSL指令集。

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严酷轮询法

单变量轮询：

• 用历程号turn来规定谁能进入临界区;
  
• 毛病：
  
  
  
  • 历程0的非临界任务很长，当历程1完成临界任务后将变量设为历程0的历程号后，很快实行完了非临界的任务，
    
  • 然而变量照旧历程0的历程号，历程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：忍让型、自动自信型
问题代码：两个人相互忍让，造成死锁。

enter函数中：

• 历程0先抢到时间片实行，将本身状态更新为感爱好，此时时间片结束；
  
• 历程1也之开始实行这个代码段，也将本身的状态更新为感爱好；
  
• 造成死锁，两人相互忍让。
  

解决方案

引入turn，等待条件改变：查抄对方是否想利用，且忍让轮到他

• 首先将本身的状态改为感爱好；
  
• 然后尝试忍让给另一个历程：
  
  
  
  • 如果对方历程不感爱好，我直接就能进入临界区访问资源；
    
  • 如果对方也感爱好，就会查抄忍让的这个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，由于当初设计的时间也没想到这方面。
自动自信型：谁先举手谁先发言。

1. // 记录当前“轮到”哪个进程进入临界区
2. int turn;
3. // 记录每个进程是否有意愿进入临界区
4. int interested[N];
5. // 进程号为0或1的进程进入临界区的函数
6. void enter_region(int process) {
7. int other = 1 - process; // 计算另一个进程的编号
8. // 标记本进程希望进入临界区
9. interested[process] = TRUE;
10. turn = process; // 尝试将turn设置为当前进程号
11. // 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
12. while (turn == process && interested[other] == TRUE) {
13. // 忙等待，直到条件不满足
14. }
15. }
16. // 进程离开临界区的函数
17. void leave_region(int process) {
18. // 标记本进程已离开临界区
19. interested[process] = FALSE;
20. }

复制代码

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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.

   开释锁无需原子操纵
  XCHG也是雷同的指令，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操纵

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