進(jìn)程同步與互斥機(jī)制的原理是什么

這篇文章給大家介紹進(jìn)程同步與互斥機(jī)制的原理是什么，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

一、什么是進(jìn)程同步

在多道批處理系統(tǒng)中，多個進(jìn)程是可以并發(fā)執(zhí)行的，但由于系統(tǒng)的資源有限，進(jìn)程的執(zhí)行不是一貫到底的， 而是走走停停，以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，這就是進(jìn)程的異步性。

那么，進(jìn)程的異步性會帶來什么問題呢？舉個例子，如果有 A、B 兩個進(jìn)程分別負(fù)責(zé)讀和寫數(shù)據(jù)的操作，這兩個線程是相互合作、相互依賴的。那么寫數(shù)據(jù)應(yīng)該發(fā)生在讀數(shù)據(jù)之前。而實際上，由于異步性的存在，可能會發(fā)生先讀后寫的情況，而此時由于緩沖區(qū)還沒有被寫入數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程 A 沒有數(shù)據(jù)可讀，因此讀進(jìn)程 A 被阻塞。

進(jìn)程同步（synchronization）就是用來解決這個問題的。從上面的例子我們能看出，一個進(jìn)程的執(zhí)行可能影響到另一個進(jìn)程的執(zhí)行，所謂進(jìn)程同步就是指協(xié)調(diào)這些完成某個共同任務(wù)的并發(fā)線程，在某些位置上指定線程的先后執(zhí)行次序、傳遞信號或消息。

再舉個生活中的進(jìn)程同步的例子，你想要喝熱水，于是你打了一壺水開始燒，在這壺水燒開之前，你只能一直等著，水燒開之后水壺自然會發(fā)生響聲提醒你來喝水，于是你就可以喝水了。就是說水燒開這個事情必須發(fā)生在你喝水之前。

注意不要把進(jìn)程同步和進(jìn)程調(diào)度搞混了：

• 進(jìn)程調(diào)度是為了最大程度的利用 CPU 資源，選用合適的算法調(diào)度就緒隊列中的進(jìn)程。

• 進(jìn)程同步是為了協(xié)調(diào)一些進(jìn)程以完成某個任務(wù)，比如讀和寫，你肯定先寫后讀，不能先讀后寫吧，這就是進(jìn)程同步做的事情了，指定這些進(jìn)程的先后執(zhí)行次序使得某個任務(wù)能夠順利完成。

二、什么是進(jìn)程互斥

同樣的，也是因為進(jìn)程的并發(fā)性，并發(fā)執(zhí)行的線程不可避免地需要共享一些系統(tǒng)資源，比如內(nèi)存、打印機(jī)、攝像頭等。舉個例子：我們?nèi)W(xué)校打印店打印論文，你按下了 WPS 的 “打印” 選項，于是打印機(jī)開始工作。 你的論文打印到一半時，另一位同學(xué)按下了 Word 的 “打印” 按鈕，開始打印他自己的論文。想象一下如果兩個進(jìn)程可以隨意的、并發(fā)的共享打印機(jī)資源，會發(fā)生什么情況？

顯然，兩個進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行，導(dǎo)致打印機(jī)設(shè)備交替的收到 WPS 和 Word 兩個進(jìn)程發(fā)來的打印請求，結(jié)果兩篇論文的內(nèi)容混雜在一起了。

進(jìn)程互斥（mutual exclusion）就是用來解決這個問題的。當(dāng)某個進(jìn)程 A 在訪問打印機(jī)時，如果另一個進(jìn)程 B 也想要訪問打印機(jī)，它就必須等待，直到 A 進(jìn)程訪問結(jié)束并釋放打印機(jī)資源后，B 進(jìn)程才能去訪問。

實際上，像上述的打印機(jī)這種在一個時間段內(nèi)只允許一個進(jìn)程使用的資源（這也就是互斥的意思），我們將其稱為臨界資源，對臨界資源進(jìn)行訪問的那段代碼稱為臨界區(qū)。

通俗的對比一下進(jìn)程互斥和進(jìn)程同步：

• 進(jìn)程同步：進(jìn)程 A 應(yīng)在進(jìn)程 B 之前執(zhí)行

• 進(jìn)程互斥：進(jìn)程 A 和進(jìn)程 B 不能在同一時刻執(zhí)行

從上不難看出，進(jìn)程互斥是一種特殊的進(jìn)程同步，即逐次使用臨界資源，也是對進(jìn)程使用資源的先后執(zhí)行次序的一種協(xié)調(diào)。

三、常見的進(jìn)程同步與互斥機(jī)制

常見的進(jìn)程同步與互斥機(jī)制有兩種：

• 信號量與 PV 操作

• 管程

① 信號量與 PV 操作

包交包會！看完下面這段解釋你絕對能夠明白 PV 操作是啥。

1965年，荷蘭學(xué)者 Dijkstra 提出了一種卓有成效的實現(xiàn)進(jìn)程同步和互斥的方法 — 信號量機(jī)制（Semaphore）。信號量其實就是一個變量 ，我們可以用一個信號量來表示系統(tǒng)中某種資源的數(shù)量，比如：系統(tǒng)中只有一臺打印機(jī)，就可以設(shè)置一個初值為 1 的信號量。

用戶進(jìn)程可以通過使用操作系統(tǒng)提供的一對原語來對信號量進(jìn)行操作，從而很方便的實現(xiàn)進(jìn)程互斥或同步。這一對原語就是 PV 操作：

1）P 操作：將信號量值減 1，表示申請占用一個資源。如果結(jié)果小于 0，表示已經(jīng)沒有可用資源，則執(zhí)行 P 操作的進(jìn)程被阻塞。如果結(jié)果大于等于 0，表示現(xiàn)有的資源足夠你使用，則執(zhí)行 P 操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。

可以這么理解，當(dāng)信號量的值為 2 的時候，表示有 2 個資源可以使用，當(dāng)信號量的值為 -2 的時候，表示有兩個進(jìn)程正在等待使用這個資源。不看這句話真的無法理解 V 操作，看完頓時如夢初醒。

2）V 操作：將信號量值加 1，表示釋放一個資源，即使用完資源后歸還資源。若加完后信號量的值小于等于 0，表示有某些進(jìn)程正在等待該資源，由于我們已經(jīng)釋放出一個資源了，因此需要喚醒一個等待使用該資源（就緒態(tài)）的進(jìn)程，使之運(yùn)行下去。

我覺得已經(jīng)講的足夠通俗了，不過對于 V 操作大家可能仍然有困惑，下面再來看兩個關(guān)于 V 操作的問答：

問：信號量的值 大于 0 表示有臨界資源可供使用，這個時候為什么不需要喚醒進(jìn)程？

答：所謂喚醒進(jìn)程是從就緒隊列（阻塞隊列）中喚醒進(jìn)程，而信號量的值大于 0 表示有臨界資源可供使用，也就是說這個時候沒有進(jìn)程被阻塞在這個資源上，所以不需要喚醒，正常運(yùn)行即可。

問：信號量的值 等于 0 的時候表示沒有臨界資源可供使用，為什么還要喚醒進(jìn)程？

答：V 操作是先執(zhí)行信號量值加 1 的，也就是說，把信號量的值加 1 后才變成了 0，在此之前，信號量的值是 -1，即有一個進(jìn)程正在等待這個臨界資源，我們需要喚醒它。

信號量和 PV 操作具體的定義如下：

實現(xiàn)進(jìn)程互斥

兩步走即可實現(xiàn)進(jìn)程的互斥：

• 定義一個互斥信號量，并初始化為 1

• 把對于臨界資源的訪問置于 P 操作和 V 操作之間

P 操作和 V 操作必須成對出現(xiàn)。缺少 P 操作就不能保證對臨界資源的互斥訪問，缺少 V 操作就會導(dǎo)致臨界資源永遠(yuǎn)得不到釋放、處于等待態(tài)的進(jìn)程永遠(yuǎn)得不到喚醒。

實現(xiàn)進(jìn)程同步

回顧一下進(jìn)程同步，就是要各并發(fā)進(jìn)程按要求有序地運(yùn)行。

舉個例子，以下兩個進(jìn)程 P1、P2 并發(fā)執(zhí)行，由于存在異步性，因此二者交替推進(jìn)的次序是不確定的。假設(shè) P2 的 “代碼4” 要基于 P1 的 “代碼1” 和 “代碼2” 的運(yùn)行結(jié)果才能執(zhí)行，那么我們就必須保證 “代碼4” 一定是在 “代碼2” 之后才會執(zhí)行。

如果 P2 的 “代碼4” 要基于 P1 的 “代碼1” 和 “代碼2” 的運(yùn)行結(jié)果才能執(zhí)行，那么我們就必須保證 “代碼4” 一定是在 “代碼2” 之后才會執(zhí)行。

使用信號量和 PV 操作實現(xiàn)進(jìn)程的同步也非常方便，三步走：

• 定義一個同步信號量，并初始化為當(dāng)前可用資源的數(shù)量

• 在優(yōu)先級較高的操作的后面執(zhí)行 V 操作，釋放資源

• 在優(yōu)先級較低的操作的前面執(zhí)行 P 操作，申請占用資源

配合下面這張圖直觀理解下：

生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題

下面我們利用信號量和 PV 操作來解決經(jīng)典的進(jìn)程同步和互斥問題：生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題。

【問題描述】：系統(tǒng)中有一組生產(chǎn)者進(jìn)程和一組消費(fèi)者進(jìn)程，生產(chǎn)者進(jìn)程每次生產(chǎn)一個產(chǎn)品放入緩沖區(qū)，消費(fèi)者進(jìn)程每次從緩沖區(qū)中取出一個產(chǎn)品并使用。任何時刻，只能有一個生產(chǎn)者或消費(fèi)者可以訪問緩沖區(qū)。

由題可知，生產(chǎn)者、消費(fèi)者共享一個初始為空、大小為 n 的緩沖區(qū)，我們從題目中提煉出同步與互斥關(guān)系：

• 同步關(guān)系 1：只有緩沖區(qū)沒滿時（優(yōu)先級高），生產(chǎn)者才能把產(chǎn)品放入緩沖區(qū)（優(yōu)先級低），否則必須等待

• 同步關(guān)系 2：只有緩沖區(qū)不空時（優(yōu)先級高），消費(fèi)者才能從中取出產(chǎn)品（優(yōu)先級低），否則必須等待

• 互斥關(guān)系：緩沖區(qū)是臨界資源，各進(jìn)程必須互斥地訪問。

既然這個題目有兩個同步關(guān)系和一個互斥關(guān)系，那么我們就需要兩個同步信號量和一個互斥信號量：

• empty：同步信號量（對應(yīng)同步關(guān)系 1），表示生產(chǎn)者還能生產(chǎn)多少，即還能放入緩沖區(qū)多少產(chǎn)品，該數(shù)量小于等于 0，則生產(chǎn)者不能進(jìn)行生產(chǎn)。 初始化為 n。

• full：同步信號量（對應(yīng)同步關(guān)系 2），表示消費(fèi)者還能從緩沖區(qū)取出多少，即當(dāng)前緩沖區(qū)已有產(chǎn)品的數(shù)量，該數(shù)量小于等于 0，則消費(fèi)者不能進(jìn)行讀取。初始化為 0。

• mutex：互斥信號量，實現(xiàn)對緩沖區(qū)的互斥訪問。初始化為 1。

代碼如下，注意各個 PV 操作的配對：

② 管程

管程有一個重要特性：在一個時刻只能有一個進(jìn)程使用管程。進(jìn)程在無法繼續(xù)執(zhí)行的時候不能一直占用管程，否則其它進(jìn)程將永遠(yuǎn)不能使用管程。也就是說管程天生支持進(jìn)程互斥。

其實使用管程是能夠?qū)崿F(xiàn)信號量的，并且也能用信號量實現(xiàn)管程。但是管程封裝的比較好，相比起信號量來需要我們編寫的代碼更少，更加易用，這也就是 Java 采用管程機(jī)制的原因，synchronized 關(guān)鍵字及 wait()、notify()、notifyAll() 這三個方法都是管程的組成部分。把管程翻譯為 Java 領(lǐng)域的語言，就是管理類的成員變量和成員方法，讓這個類是線程安全的。

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