进程同步的基本概念

￡神魔★判官ぃ 2023-07-12 01:15 36阅读 0赞

## **进程间两种形式的制约关系** ##

两种制约关系：资源共享、进程合作。有学过多线程编程的人应该知道两大模型：卖票模型和生产者消费者模型。资源共享也就是卖票模型，多人同时购买有限的票，多个单位同时使用同一个资源，这就是资源共享；

生产者消费者模型就是进程合作，生产者生产一个实体，消费者消费一个实体，其中消费者消费的前提是生产者已经生产出了实体，生产者生产的前提是消费者已经把实体消费掉。两个进程之间需要相互合作，这就是进程合作。

## **临界资源 --- 互斥访问** ##

先来具体了解一下生产者消费者模型：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzNzM2Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

左侧是生产者进程，P1到Pl指生产者进程循环执行生产操作，同理C1到Cm；这里有个中间媒介Buffer，它是一个循环队列，它有多个存储单元组成。循环队列有in和out指针，开始时in和out指针指向同一单元；生产者生产出一个实体，in指针循环意义下加1，in指针表示的就是可以存储实体的位置；消费者消费一个实体，out指针循环意义下加1，表示消费掉一个实体，out指针表示的是可以消费的位置。

下面看一个伪代码实现的生产者消费者模型并分析代码执行：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzNzM2Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzNzM2Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

这里面n表示的是Buffer的空间个数、do no-op就是什么都不做，counter表示剩余的个体数。这两个进程要同时进行，共享couter变量。这样执行会有什么问题呢？

计算机在执行程序的时候会将程序最终翻译为机器语言，counter++和counter--的机器语言是这样的：

// counter++
    register1=counter;
    register1=register1+1;
    counter=register1;
    
    // counter--
    register2=counter;
    register2=register2-1;
    counter=register2;

假设两个进程同时执行了counter++和counter--这两句代码，那换到机器语言中，它的执行顺序就是不固定的。比如：

// 假设counter为5
    register1=counter;          (register1=5)
    register1=register1+1;      (register1=6)
    register2=counter;          (register2=5) 
    register2=register2-1;      (register2=4)
    counter=register1;          (counter=6)
    counter=register2;          (counter=4)
    
    // counter++、counter--的正确结果应该还是5，这里结果变成了4

看似counter++和counter--分开执行，实际并不是，并且这样的程序还会引起结果出现重大错误。解决办法就是把counter作为临界资源，对两个进程互斥访问。临界资源就是一次仅允许一个进程访问的资源。

## 临界区 ##

临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码。进程互斥：两进程不能同时进入访问同一临界资源的临界区。

为了避免上面的错误，我们要更改临界区代码的设计。在要进入临界区时，进行标志位判断，标志位显示临界区没有被访问，那么我们就可以进入临界区，并且把标志位设置为正在访问。执行完代码， 退出临界区的时候再将标志位恢复为未访问状态。

至此我们可以引出进程同步的概念，进程同步：某进程未获得合作进程发来消息之前该进程等待，消息到来之后方可继续执行的合作关系；同步机制：系统用来实现进程间同步与互斥的机构。

## 同步机制应遵循的规则 ##

空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待。

空闲让进：临界区没有执行的进程，则允许进程进入临界区。

忙则等待：要执行临界区的进程因临界区无法访问而等待。

有限等待：要访问临界区的进程应在有限时间内完成，防止变成死锁。

让权等待：无法访问临界区的等待时间一道，确定无法访问，该进程会立刻释放处理机，让出资源。

用白话说就是：屋里没人的时候就进去，有人就等一会，最多等10分钟，10分钟后屋里还有人就不等了，直接走人。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzNzM2Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200306171712134.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzNzM2Mg==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzNzM2Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200306173220732.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzNzM2Mg==,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzNzM2Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200306173234908.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzIzNzM2Mg==,size_16,color_FFFFFF,t_70