操作系统中的忙等待

操作系统采用忙等待，也称为自旋或忙循环，作为控制多个进程或线程执行的同步策略。当一个进程在忙等待时，它会不断检查某个条件是否满足，而不是放弃 CPU 让其他进程工作。相比之下，选择阻塞或休眠的进程会完全释放 CPU，为其他操作腾出资源。

在本文中，我们将涵盖忙等待的需求、限制、不活跃结果、在分布式系统中的有效性，以及最后最重要的，忙等待的优点和缺点。

什么是忙等待？

• 当预期对某个条件的响应时间很快，并且跨线程或进程的上下文切换开销过大时，经常会使用忙等待。然而，它存在许多缺点，例如 CPU 使用率高、可能浪费资源以及系统效率低下。
• 通常，一个进程会启动一个循环，在该循环中使用循环结构（例如 while 循环）来不断检查某个特定条件。直到条件满足，该过程才会继续在该循环中运行。忙等待的主要缺点是，当进程空闲时，它会浪费 CPU 周期，从而导致资源浪费。
• 虽然忙等待可能是一种简单明了的实现同步的方法，但通常不建议用于长时间延迟或在资源效率至关重要的场景。在这些情况下，建议采用其他同步技术，如互斥锁、信号量或事件驱动编程。这些选项更适合控制并发和提高系统性能，因为它们允许进程在等待时放弃 CPU 控制，从而使其他进程能够运行。

忙等待过程

步骤 1：在第一步中，进程 1 使用共享资源。

步骤 2：第二个进程也需要进程 1 使用的共享资源。

步骤 3：第二个进程进入忙等待状态，直到获得对共享资源的访问权限。

忙等待的要求

在某些情况下，如果预计满足某个条件需要很短的等待时间，并且跨进程或线程的上下文切换开销被认为过高，则会采用称为“忙等待”的同步技术。尽管存在局限性和在其他情况下可能不适用，但在特定场景下，忙等待被认为是合适的，并满足特定的需求。

1. 低延迟和低开销要求

• 当满足条件所需的等待时间很短时，忙等待很有用。在某些情况下，上下文切换的开销可能会抵消将 CPU 访问权提供给其他程序的优势。
• 通过忙等待，进程无需上下文切换的开销即可持续检查条件，从而缩短了对该条件做出响应的延迟。

2. 可预测和确定的行为

• 忙等待的进程表现出可预测且确定的行为。由于进程在主动验证条件时不会放弃 CPU，因此操作易于理解和分析。
• 在实时系统和及时性和响应能力至关重要的应用程序中，这种可预测性可能会有所帮助。

3. 简单易于实现

• 与需要上下文切换的其他同步技术（如信号量或互斥锁）相比，忙等待相对容易实现。忙等待的编程逻辑通常包括一个反复运行某个条件的简单循环。
• 当轻量级同步解决方案已足够，而其他同步方法的复杂性则不必要时，这种简单性可能很有用。

4. 防止死锁

• 当两个或多个进程陷入相互等待释放资源的状态时，就称为死锁。忙等待可以帮助防止死锁。忙等待是一种在资源可用时启动的进程，并且不会停止检查其可用性。
• 由于这种持续的检查，死锁发生的可能性降低了，因为进程不会永远地等待。

尽管有这些好处，但重要的是要记住，忙等待包含一些负面方面。它不适用于涉及长时间等待的情况，并且会导致 CPU 过度使用和资源浪费。

通常，在等待时间不确定或较长的情况下，会选择其他同步技术，例如阻塞或休眠，这些技术允许进程在等待时放弃 CPU。此外，由于忙等待可能导致过度资源争用，因此在进程数量较多的情况下，它的扩展性可能不佳。

忙等待的限制

虽然忙等待有其用途，但存在一些缺点，使其在大多数情况下不是最佳选择。以下是忙等待的主要缺点：

1. CPU 使用率升高

• 由于忙等待，会持续在循环中检查某个条件，即使进程空闲也会占用 CPU 周期。
• 其结果是高 CPU 利用率和资源浪费。

2. 资源浪费

• 不释放 CPU 而持续检查条件可能会导致不必要的资源使用。
• 当等待时间较长时，此方法可能导致不必要的系统资源使用。

3. 无效的等待时间

• 忙等待不适合长时间等待。
• 如果条件需要很长时间才能满足，则允许进程让出 CPU 的其他同步技术会更有效，因为持续的循环检查会变得浪费。

4. 扩展性差

• 在许多进程争用资源的场景中，忙等待可能导致高争用和系统性能低下。
• 由于缺乏扩展性，在高并发应用程序中使用忙等待很困难。

5. 对基于时间系统的适应性不足

• 忙等待提供可预测的行为，但并非所有实时系统都能从中受益。
• 在及时性和可预测性至关重要时，其高 CPU 利用率和对外部事件缺乏响应使其不太受欢迎。

6. 能源效率低

• 与允许进程休眠或阻塞并消耗较少能量的替代同步技术相比，不断监视状态的忙等待循环可能会消耗更多能量，并且能源效率较低。

7. 优先级反转的可能性

• 在采用优先级调度调度的系统中，忙等待可能是优先级反转问题的一个因素。
• 优先级较低的进程可能会保留优先级较高的进程所需的资源，从而导致系统性能不佳。

总之，虽然忙等待有其用途，例如在等待时间短暂且可预测的情况下，但这些缺点突显了在许多实际应用中考虑其他同步技术以提高资源效率和系统性能的重要性。

不活跃是否会导致死锁？

忙等待和死锁之间没有明确的联系。然而，在某些同步场景中，忙等待的使用可能会加剧可能导致系统死锁的条件。死锁发生在两个或多个进程之间存在循环依赖时，使得它们在等待对方释放资源时无法继续前进。

使用忙等待的进程在达到“循环等待”状态时有死锁的风险，这是死锁的四个前提条件之一。以下是四个前提条件：

1. 互斥

• 进程所需的资源必须完全可供其使用。
• 当多个进程不能同时利用资源（例如共享资源或关键部分）时，系统就满足了条件。

2. 保持和等待

• 一个进程必须至少持有一个资源，并等待获取其他进程可能持有的任何其他资源。
• 这个前提条件意味着进程可以在等待其他资源的同时持有资源。

3. 无剥夺

• 进程持有的资源必须明确释放；不能强制从进程中剥夺。

4. 循环等待

• 必须存在一系列循环进程，每个进程都在等待链中其后继进程持有的资源。

忙等待本身并不会产生循环等待的情况，但它在同步设置中的应用方式可能会加剧保持和等待条件。如果进程在管理资源获取和释放时不小心，它们就有可能无意中造成可能发生循环等待的情况。

例如，当两个进程都在忙于等待一个资源，而其中一个进程拥有另一个进程需要的资源时，就会形成循环依赖。如果这种情况处理不当，可能会加剧并导致僵局，其中两个进程都卡在等待对方释放资源，从而阻止系统前进。

在可能发生资源争用的情况下，仔细设计同步系统、采用资源分配图等策略以及考虑忙等待的替代方案对于防止死锁至关重要。

有什么方法可以替代等待？

在同步场景中，可以使用多种策略来替代忙等待，以实现更有效的资源利用，并经常避免连续轮询的缺点。以下是一些常见的替代方案：

1. 休眠或阻塞

• 等待特定条件满足的进程会自愿放弃 CPU 控制，进入阻塞或休眠状态。
• 这允许在此期间执行其他进程。当需要得到满足时，该进程随后会被唤醒。

2. 信号量

• 信号量是一种可用于管理资源访问的同步机制。它们为进程提供了一种在不使用忙等待的情况下进行通信和等待对方的方法。

3. 互斥锁

• 互斥锁（mutex）是一种用于限制对关键代码段访问的控制结构。
• 在进入关键部分之前，进程可以获取互斥锁。完成后，它们可以释放互斥锁，从而使其他进程在此期间获取它。

4. 条件变量

• 使用条件变量可以更有效地让进程等待某个条件得到满足。为了避免忙等待，它们经常与互斥锁结合使用。

5. 事件驱动编程

• 在事件驱动的系统中，进程响应外部刺激，而不是通过循环检查状态。
• 这种方法常用于实时系统和图形用户界面（GUI）。

6. 消息传递

• 进程之间交换消息，以便通知对方任务完成或资源可用。
• 在可以直接通信的情况下，这可以作为忙等待的替代方法。

7. 自旋锁

• 互斥锁和自旋锁类似，但自旋锁使用忙等待。虽然它们与忙等待相似，但通常在预期等待时间非常短时使用。
• 人们认为使用其他同步技术成本太高。

8. 快速用户空间互斥锁（futexes）

• futexes 是 Linux 系统的一项常见功能，允许用户空间程序执行有效的等待和信号。

选择最佳选项取决于应用程序的详细信息、预期的等待时间以及所使用的同步机制的总体布局。每种方法都有其优点和缺点。因此，仔细权衡它们以确保准确有效地进行并发进程同步非常重要。

忙等待在分布式系统中是否有效？

在分布式系统中，忙等待可能无效，并且通常不被推荐，原因有很多。分布式系统涉及多个独立实体（节点或进程）进行协调和交互。在这些类型的系统中，有效的同步对于一致性和避免冲突至关重要。在分布式系统中，忙等待通常因以下主要原因而无效：

1. 资源浪费

• 忙等待通过循环不断检查条件。这种持续的轮询会增加通信开销、资源消耗和不必要的网络流量，从而在分布式系统中造成资源浪费。

2. 高延迟

• 在分布式环境中，由于持续检查条件而不释放 CPU，可能会产生更高的延迟。
• 那些需要的进程无法立即响应变化，这反过来又损害了系统的整体响应能力。

3. 可扩展性问题

• 在许多节点组成的分布式系统中，忙等待可能会影响可扩展性。
• 由于持续检查条件而导致的资源竞争可能会限制系统有效扩展的能力。

4. 难以管理故障

• 分布式系统需要以一种优雅的方式处理节点故障、网络分区和许多其他问题。
• 然而，忙等待使得错误处理过程复杂化，因为如果无法确定远程节点的状态，持续轮询就会变得无关紧要。

5. 网络资源利用效率低

• 分布式系统中的进程通常需要通过网络进行通信才能协调其操作。
• 糟糕的是，由此产生的忙等待现象导致不必要的通信泛滥，加重了网络的负担并降低了其效率。

6. 缺乏确定性行为

• 为了保持一致性，分布式系统通常需要精确的同步和可预测的行为。
• 由于其不确定的行为和对外部事件缺乏响应，忙等待可能无法满足这些标准。

7. 能源消耗增加

• 在分布式系统中，忙等待期间的持续轮询会导致能源消耗增加，尤其是在节点可能需要长时间保持活动状态而未完成任何有益任务的情况下。

由于这些挑战，在分布式系统中通常会选择各种同步技术。在分布式系统中，有更有效的方法来管理同步、降低争用并提高整体系统性能。这些方法包括消息传递、分布式锁、共识算法和协调框架。这些选项旨在在管理分布式系统中的复杂性和不确定性的同时，支持资源效率和可扩展性。

操作系统忙等待的优点和缺点

在操作系统中，忙等待（也称为自旋）是一种同步机制，其中进程在放弃 CPU 并允许其他进程运行时，会持续等待某个条件得到满足。忙等待有其应用，但它也有优点和缺点，使其在某些情况下比其他情况更好。

操作系统忙等待的优点

1. 最小的上下文切换开销

• 忙等待包括停留在循环中并持续监视状态。
• 在预期等待时间很短的情况下，忙等待可能比需要跨进程上下文切换开销的替代同步技术更有效。
• 这使其适用于需要快速访问资源的场景。

2. 简单且可预测的实现

• 当进程忙于等待时，它们的行为可以清晰且可预测。
• 由于它使用简单的循环结构，因此概念更容易理解和使用。在实时系统或其他需要代码清晰易懂的场景中，这种简单性很有帮助。

3. 防止死锁

• 忙等待可以帮助防止死锁，即多个进程陷入相互等待对方释放资源的僵局。
• 由于忙等待涉及持续监视和在资源可用时立即采取行动，因此它降低了进程长时间等待的可能性。

4. 短等待时间的最低延迟

• 当一个条件必须在非常短的时间内完成时，忙等待可以提供最低的延迟。
• 进程可以快速响应系统更改，因为它们不必等待进入阻塞或休眠状态。

5. 确定性行为

• 忙等待进程的行为是可预测且易于分析的。这种可预测性保证了恒定且可预测的活动顺序，这在及时性至关重要的某些实时应用程序中可能很有用。

操作系统中忙等待的缺点

1. CPU 使用率高

• 忙等待有几个缺点，其中之一是可能导致 CPU 使用率过高。
• 由于忙等待进程会不断循环检查某个条件，即使没有执行任何有用的操作，它们也会占用大量 CPU 周期。因此，系统资源的使用效率低下。

2. 无效的等待时间

• 预计需要长时间等待的情况不适合忙等待。
• 长时间等待时，在循环中持续检查可能会浪费大量资源。
• 在这些情况下，小睡或阻塞等其他选项会更有效。

3. 可扩展性问题

• 当系统有多个进程争用资源时，可能会出现可扩展性问题。
• 由于持续搜索条件而导致的争用可能会降低系统的整体可扩展性。

4. 无法响应外部事件

• 忙等待进程旨在确认特定状态，可能不会响应任何外部操作或更改。
• 在需要及时响应不断变化的环境的情况下，这种缺乏响应可能会成为障碍。

5. 能源效率低下

• 在长时间等待期间运行持续轮询可能会导致能源消耗增加。但是，在能源节约至关重要的地区，忙等待可能不是最佳选择，因为存在其他同步技术允许进程在等待时进入低功耗状态。

6. 优先级反转的可能性

• 由优先级调度引起的优先级反转可能包含忙等待作为加剧因素。
• 因此，优先级较低的操作可能会保留对更重要操作的必要元素，从而导致系统性能不佳。

7. 分布式系统中的使用受限

• 忙等待通常不推荐在分布式系统中使用，因为它会增加网络流量、资源浪费和可扩展性挑战。
• 在进程可能位于不同节点的情况下，通常会使用异步同步方法。

结论

总而言之，虽然忙等待的优点包括可预测的现象、简单性和不导致死锁，而缺点是 CPU 使用率非常高，长时间等待状态下的性能差且可扩展性有限，这表明该方法不适合大多数现代操作系统。其他同步技术，例如互斥锁、阻塞、休眠和信号量，由于其在各种情况下的更好适应性和更有效的资源利用而得到广泛使用。