C/C++中的进程同步

进程同步是一种解决共享数据并发访问问题的技术，该问题可能导致数据不一致。协作进程是指可以影响其他进程或受其他进程影响，从而导致进程数据不一致的进程，因此需要进程同步来保证数据的一致性。

临界区问题

下面给出的是特定进程P1的关键部分的结构

有以下三个要求：必须满足关键部分

• 互斥 - 如果一个进程假设 P1 在其关键部分中执行，而不是任何进程其他进程假设 P2 无法在其临界区执行。
• 进度 - 如果没有进程在其临界区执行，并且有进程想要进入其临界区临界区，那么只有那些不在剩余部分执行的进程可以请求进入临界区，并且选择可以无限期推迟。
• 有界等待 - 在有界等待中，在进程发出进入其临界区的请求之后以及该请求被批准之前，进程可以进入其临界区的次数是有限制的。

操作系统中常用两种方法来处理关键部分。

抢占式内核 - 抢占式内核允许进程在进程被抢占时被抢占。在内核模式下运行。

非抢占式内核 - 非抢占式内核不允许在内核模式下运行的进程被抢占。

Peterson 的解决方案

Peterson 的解决方案是针对临界区问题的基于经典的软件解决方案。它仅限于在其关键部分和剩余部分之间交替执行的两个进程。 Peterson 的部分要求在两个进程之间共享两个数据项，即

• Intturn;
• Boolean flag[2];

这里，变量turn表示轮到谁进入临界区，flag数组表示进程是否准备好进入临界区。

如果turn == i，则表示进程Pi被允许进入其临界区。

如果flag[j]为TRUE，则表示进程j已准备好进入其临界区

如下是Peterson方案中进程P的结构

彼得森解决方案保留了所有三个条件 -

• 相互排斥 − 一次只有一个进程可以访问临界区。
• 进度 − 临界区外的进程不会阻止其他进程进入临界区。
有界等待 - 每个进程都有机会进入其临界区，而无需无限期地等待。

同步硬件

已实现使用两种类型的指令 -

• Test 和 Set()
• swap()

Test 和 Set ()是解决同步问题的硬件方案。其中，有一个由多个进程共享的共享变量，称为 Lock，它可以具有 0 和 1 中的一个值，其中 1 表示获得锁，0 表示释放锁。

每当进程尝试进入他们需要的临界区来查询锁的值。如果lock的值为1，那么他们必须等待，直到lock的值不会变为0。

下面给出的是TestAndSet()的互斥实现

信号量

信号量是一种同步工具，用于克服 TestAndSet() 和 Swap() 指令产生的问题。信号量 S 是一个整型变量，可以通过 wait() 和 signal() 这两个标准原子操作来访问

wait() 函数：

wait(S) {
   While S <= 0
   ; // no operation
   S--;
}

Signal()函数的功能：

signal(S) {
   S++;
}

当一个进程正在修改信号量的值时，其他进程不能同时操作相同的信号量值。

下面给出了使用信号量的互斥实现

操作系统使用两种类型的信号量，它们是：

计数信号量 - 这种类型的信号量的值可以在无限制的域内变化

二进制信号量 - 这种类型的信号量的值可以在0和1之间变化。它们也被称为互斥锁。操作系统使用它来解决多个进程中的临界区问题。

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