操作系统——同步问题

什么是同步？

简而言之，同步指的是如何为进程按照一定的次序合理地分配资源，防止对共享变量或共享资源造成不正确的访问，从而保证结果的正确性。（即当多个进程申请访问同一资源时，某些进程可能需要等待，不能同时访问资源）

与同步问题紧密相关的是临界区问题。首先我们来了解一下什么是临界区。

什么是临界区？

临界区是一段代码，进程在执行该段代码时可能修改公共变量。

当一个进程在临界区内执行时，其他进程不允许在他们的临界区执行（即临界区内在一个时刻只能有一个进程）。
在进入临界区前，每个进程应当在进入区请求；当进程要退出临界区时，进程会进入到退出区。

现在我们了解了临界区的基本概念，那么我们应该如何来解决临界区问题以实现同步呢？

临界区问题的解决方案应满足三个条件：

1）互斥：只能有一个进程在临界区内执行

2）进步：当有进程请求进入临界区时，应当在请求区中选择一个进程进入临界区，这种选择不能无限推迟

3）有限等待：保证请求进入临界区的进程在经历一段时间的等待后，会进入到临界区内

现在我们来简要介绍两种解决临界区问题的具体方法：

1.互斥锁

设置一个全局布尔变量（所有进程共享），表示锁是否可用（即是否可进入临界区）。首先进程执行acquire函数，如果可进入临界区，那么修改该布尔变量（即修改为不可进入临界区），然后进入临界区执行，当执行结束退出临界区时，执行release函数，把该布尔变量修改回来（修改为可进入临界区）；如果不可进入临界区，那么进程执行循环代码，直到该布尔变量表示可进入临界区。

互斥锁必须保证acquire函数和release函数的调用都是原子的。

缺点

需要忙等待（即进程要不断地执行循环代码），消耗大量的cpu时间。

优点

进程在等待锁时，没有上下文切换。

2.信号量

用整型变量S表示剩余可进入临界区的进程数量（S的值根据S所代表资源的数量而定，一般设置为1）；拥有两个原子操作wait()和signal()，即P和V操作。以S=1为例：进程首先执行wait()函数，先令S--；若S>=0，那么让该进程进入临界区；否则将该进程放入一个等待队列中等待被唤醒。当进程从临界区退出来时，执行signal()函数，令S++，如果S<=0，那么从等待队列中选择一个进程来唤醒（将其放到就绪队列的最前端）；否则此时S=1，说明已经没有进程申请进入临界区，等待队列为空。

缺点

上下文切换频繁。

优点

不需要忙等待；如果无法进入临界区，将进程放进等待队列即可，cpu可以去服务其他进程。

互斥锁和信号量两种解决临界区问题的方法已经简要介绍完了，下面我们来看几个经典的同步问题。大家可以考虑一下要如何利用信号量等方法去解决实际的同步问题。