記筆記記筆記
先明確幾個概念：
進程同步（ task synchronization）：操作系統中的多個進程需要彼此之 間通信和共享數據，這個過程中合理 的調度， 稱 爲 進 程 同 步 。
進程互斥（task mutex）：當多個進程需要使用相 同的資源，而此類資源在任一時刻卻 只能供一個進程使用，獲得資源的進 程可以繼續執行，沒有獲得資源的進 程必須等待。如共用一臺打印機。
二進制信號量：爲共享資源提供互斥訪問機制，每次只將資源分配給單個進程；當 某個進程佔用特定資源的時候，系統不允許其他進程訪問該資源。二進制信號量 的具體實現取決於操作系統內核；在特定操作系統內核中，二進制信號量也稱爲 互斥量。
計數信號量：與二進制信號量不同，計數信號量將資源併發訪問的進程或線程數目限制爲固定 數量。計數信號量始終記錄某個特定的計數器，其取值範圍是從0到某個固定值之 間；這就限制了系統支持資源併發訪問的最大數目。
計數信號量與二進制信號量是類似的。兩者不同在於，二進制信號量只能用於互 斥訪問；而計數信號量可以用於互斥訪問，也可以實現限定數目的訪問。
再明確兩個概念：
臨界資源(Critical Resource): 如打印機、 磁帶機等共享資源稱爲“臨界資源”。
臨界區（critical section）：爲了訪問 共享資源（比如共享存儲器、共享變量 等），需要執行相應的程序指令，存放這 段程序指令的代碼存儲區域稱爲臨界區。 即把在每個進程中訪問臨界資源那段代碼 稱爲臨界區。
爲了實現共享資源的同步訪問，臨界區訪 問應該是互斥的。也就是說，在調用臨界 區代碼的時候，需要使用互斥機制。
實現進程之間互斥的方法：
在原語裏設置一個公共變量代表臨界資源的狀態。 lock/unlock
使用臨界資源必須做如下三步：
- 檢查鎖的設置
- 進入臨界區，訪問臨界區
- 釋放臨界資源，開鎖
進程同步遵循的原則:
- 空閒讓進：當無進程進入臨界區時，應立即進入。
- 忙則等待：當已有進程進入臨界區時，表明資源在使用，應等待。
- 有限等待：對要求訪問臨界資源的進程，應保證有限時間內能進入。
- 讓權等待:當進程不能進入自己的臨界區時,應立即釋放處理機,以免進程陷入“忙等”。
用於進程同步的操作：
P操作：
①將信號量S的值減1，即S=S-1；
②如果 S>=0，則該進程繼續執行；否則該進程置爲等待狀態，排入等待隊列。
1）S:=S – 1//請求一個資源
2）If S>=0, go on; if S<0, blocked //申請不成功（資源用完）， 調用阻塞原語“讓權等待
V操作：
①將信號量S的值加1，即S=S+1；
②如果S>0，則該進程繼續執行；否則釋放隊列中第一個等待信號量的進程。
1）S:=S + 1 //釋放一個資源
2）If S>0, go on;
if S<=0, the first blocked process in waiting queue blocked->ready, go on
//表示在信號鏈表，仍有等待該資源 的進程，調用喚醒原語
- 從物理意義上理解，P 操作相當於申請資源； V操作相當於釋放資源。
- 信號量的值表示相應資源的使用情況。信號量S>=0時，S表示可用資 源的數量。執行一次P操作意味着請求分配一個資源，因此S的值減1； 當S<0時，表示已經沒有可用資源，S的絕對值表示當前等待該資源 的進程數。請求者必須等待其他進程釋放該類資源，才能繼續運行。 而執行一個V操作意味着釋放一個資源，因此S的值加1；若S<0，表 示有某些進程正在等待該資源，因此要喚醒一個等待狀態的進程， 使之運行下去。
- 用信號量可以方便地解決n個進程互斥地 使用臨界區的問題。信號量的取值範圍是 +1~（1-n)。信號量的值爲負時，說明一 個進程正在臨界區執行，其它的正排在信號量等待隊列中等待，等待的進程數等於信號量值的絕對值 。
例：若P、V操作的信號量初值爲1，當前 值爲-3，則表示3個等待進程。
典型的互斥機制：生產者-消費者問題（也稱爲受限緩衝區問題）
生產者-消費者問題是常見的數據共享問題，其中，兩個進程併發訪問具有固定 容量的共享緩衝區，因此也稱爲受限緩衝區問題（Bounded Buffer Problem）。 生成數據的線程/進程稱爲生產者線程/進程（producer thread/process）；使 用生產者線程/進程生成的數據的線程/進程稱爲消費者線程/進程（consumer thread/process）。
- 有一羣生產者進程在生產產品，並將這些產品提供給消費者進程去消費；
- 生產者進程和消費者進程是多個並行的進程；
- 如果這兩個進程沒有同步，可能引發下面的問題：
➢ 緩衝區溢出（buffer overrun）
➢ 緩衝區空閒（buffer under-run）
爲了正確地存取緩衝區，要求各生產者與消費者進程互斥地使用緩衝區。爲此，要設兩個同步信號量分別標識生產者進程和消費者進程 能否正確前進的標誌
- 用empty表示空緩衝個數，初值爲n；
- 用full表示裝滿產品的緩衝個數，初值爲0。
- 再設置一個互斥使用臨界區的信號量mutex，初值爲1。
兩者的同步算法如下:
var mutex, empty,full:semaphore;
mutex=1; //實現互斥訪問的信號量
empty:=n; full:=0; //空緩衝區和裝滿產品的緩衝區的個數
buffer:array[0..n-1] of product; //環形列隊緩衝區
in, out, goods:integer
in:=0; out:=0; //指向空緩衝區和裝滿產品的緩衝區
begin
cobegin //併發進程producer和comsumer
producer;
consumer;
coend
end
生產及消費者進程：
注意事項：
- 無論是生產者還是消費者，P操作的順序是重要的。應 該將互斥使用的信號量的P操作放在緊挨臨界區的位。
- 如果把生產者進程中的兩個P操作交換次序，當緩衝區 滿時，生產者欲向緩衝區放產品時，將在P(empty)上等 待，但它已得到了使用緩衝區的權力。若此後，消費者 欲取產品時，由於申請使用緩衝區不成功，它將在 P(mutex)上等待。從而導致生產者等待消費者取走產品 ，而消費者卻在等待生產者釋放緩衝區，這種相互等待 是無休止的，從而造成系統死鎖。
一個進程必須按下述三個順序事件使用資源:
- 請求資源：若請求不能立即滿足，則申請者等待。
- 使用資源：獲得資源後，可使用它。
- 釋放資源：使用完畢，將資源歸還系統。
死鎖：是指多個進程因競爭資源而造成的一種僵局，若無外 力作用，這些進程都將永遠不能向前推進。
死鎖產生原因：
- 競爭資源。系統提供的資源不能滿足每個進程的需要
- 多道程序運行時，進程推進順序不合法。進程在運行過程中， 請求和釋放資源的順序不當，也同樣會導致產生進程死鎖。
死鎖發生的必要條件（科夫曼條件，Coffman conditions）：
- 互斥：該條件表明，一個資源只能被一個進程佔用。這就意味着進程對共享資 源的訪問是互斥的。訪問嵌入式設備中的顯示硬件就是其典型實例。
- 佔用並等待：該條件表明，進程佔用共享資源，從而鎖定共享資源的訪問控制， 然後等待其他進程佔用的其他共享資源。
- 資源不可搶佔：該條件表明，對於進程當前佔用的共享資源，操作系統不能強 行從該進程獲取資源；只有該進程自動釋放資源後，該共享資源纔是可用的。
- 循環等待：該條件表明，第一個進程正在等待第二個進程佔用的資源，同時第 二個進程也正在等待第一個進程佔用的資源。一般來說，可能存在一組等待進 程P0、P1、…Pn；其中P0正在等待P1佔用的資源，P1正在等待P0佔用的資 源，…，Pn正在等待P0佔用的資源，P0正在等待Pn佔用的資源，等等。這就形 成了循環等待。
死鎖的處理：（操作系統可以採取下面策略用於應對死鎖）
- 忽略死鎖：該策略總是假定系統設計中不存在死鎖。UNIX就是遵循上述原則的 操作系統實例。
• 鴕鳥算法 - 檢測與修復：該策略建議對死鎖條件進行檢測，並恢復到正常運行狀態。
• 倒車（back up cars）技術 - 避免死鎖：如果操作系統能夠合理地調配資源，那麼可以避免死鎖的產生。類 似於十字路口的交通燈機制，用於避免發生交通阻塞。
- 防止死鎖：如果解除產生死鎖的四個條件中的一個，就能有效防止死鎖產生。