操作系统（8）第二章- 进程同步与互斥

进程同步与互斥的基本概念一、前提并发与共享引发的问题多道程序环境下进程并发执行且会访问共享资源硬件设备、全局变量、缓冲区、文件等。 多个进程同时读写共享数据时执行结果不可预期这种现象称为竞态条件Race Condition。 为规避竞态条件、保证数据一致性与执行逻辑正确引入进程同步与互斥机制。二、临界区Critical Section1. 定义进程中访问共享资源的代码片段是引发竞态条件的根源。 其余不访问共享资源的代码称为剩余区。2. 临界区使用四大准则必考空闲让进临界区无人使用时允许请求进入的进程立即进入。忙则等待临界区已被占用其他请求进程必须等待。有限等待等待的进程不能无限阻塞在有限时间内一定能进入临界区避免饥饿。让权等待进程等待时主动放弃 CPU不忙等提升 CPU 利用率。补充忙等忙等待进程循环检测临界区状态一直占用 CPU。三、进程互斥Mutual Exclusion1. 定义多个竞争关系的进程同一时刻最多只能有一个进程进入临界区访问共享资源一个进程在临界区时其他进程必须等待。2. 核心特征关系进程间相互竞争共享资源无固定执行顺序。目的保证共享资源的独占访问杜绝同时操作。典型场景独占设备打印机、全局变量、账户余额修改。3. 通俗理解排他使用你用我就不能用。四、进程同步Synchronization1. 定义多个协作关系的进程按照预先规定的先后次序执行一个进程的执行依赖另一个进程的运行结果形成执行顺序约束。2. 核心特征关系进程间相互协作存在逻辑依赖。目的协调执行顺序保证业务逻辑正确。典型场景生产者 - 消费者、数据先写入再读取、流水线任务。3. 通俗理解有序执行你做完我才能做。五、互斥与同步的区别与联系1. 核心区别对比项进程互斥进程同步进程关系竞争关系互不依赖协作关系存在执行依赖核心要求禁止同时进入临界区保证固定先后执行顺序访问规则随机竞争谁先抢到谁执行顺序固定强制等待前驱进程2. 联系二者都是为了解决并发进程访问共享资源的问题保障执行正确性。同步场景中通常包含互斥例如生产者 - 消费者既要控制生产 / 消费顺序同步又要独占访问缓冲区互斥。二者可使用同一套工具实现信号量、锁等。六、两类典型制约关系从逻辑上划分并发进程的制约分为两种对应同步与互斥间接制约源于资源共享→ 对应互斥多个进程争抢同一独占资源相互制约。直接制约源于进程合作→ 对应同步进程间有数据 / 任务传递一方执行依赖另一方的结果。Linux 下的同步与互斥一、Linux 下的同步互斥 3 层结构从操作系统原理 → 内核实现 → 你写代码用的 API上层你用的接口mutex、sem、rwlock、futex 中层内核同步原语信号量、自旋锁、互斥锁、完成量 下层硬件原子指令CAS、atomic、lock 指令二、Linux 同步互斥的核心思想1. 互斥Mutual Exclusion保护共享资源同一时间只能有一个执行单元访问。Linux 实现方式mutex互斥锁spinlock自旋锁atomic原子操作本质把多线程并行 → 变成临界区串行。2. 同步Synchronization让多个进程 / 线程按顺序执行你做完我再做。Linux 实现方式信号量semaphore条件变量pthread_cond_t完成量completion等待队列wait queue本质控制执行顺序解决生产者 - 消费者模型。三、Linux 最核心的 4 种同步机制操作系统级1互斥锁mutex→ 最常用Linux 应用层 内核层最标准的互斥工具。原理操作系统角度底层基于futex快速用户态互斥锁无竞争时用户态完成不进内核有竞争时阻塞线程不占 CPU让权等待pthread_mutex_t lock; pthread_mutex_lock(lock); // 进入临界区 临界区代码 pthread_mutex_unlock(lock); // 退出临界区操作系统特点睡眠等待不浪费 CPU临界区可以很长应用层开发 90% 用这个2信号量semaphore→ 同步 互斥全能原理计数器 等待队列P 操作down申请资源计数器 - 1V 操作up释放资源计数器 1两种用法互斥sem 1同步sem 0 / 资源数Linux APIsem_t sem; sem_wait(sem); // P sem_post(sem); // V操作系统定位信号量 通用同步互斥工具互斥锁是信号量的特例1。3自旋锁spinlock→ 内核专用原理加锁失败时while 循环忙等待不睡眠不切换进程适用场景临界区非常短中断上下文多核 SMP 环境特点操作系统重点不睡眠、不调度、不释放 CPU不能在自旋锁里调用可能阻塞的函数4条件变量condition variable→ 同步专用Linux 下实现 “等待 - 唤醒” 最标准工具。原理线程可以主动等待某个条件成立另一个线程完成后唤醒它典型模型生产者 - 消费者缓冲区空 / 满等待pthread_mutex_lock(lock); while(条件不满足) pthread_cond_wait(cond, lock); // 等待并释放锁 // 操作共享资源 pthread_mutex_unlock(lock);