操作系统中的同步

同步是操作系统的一个基本概念，简单来说，它处理的是当访问公共资源时进程或线程的执行协调。它旨在防止竞态条件，并确保在多任务处理环境中并发执行的操作以线程安全的方式处理，从而防止数据损坏。

为什么需要同步

当前大多数操作系统都支持任务和线程，允许同时执行多个进程或线程。然而，当这些进程访问公共资源（如内存、文件或输入/输出设备）时，可能会发生冲突，导致

1. 竞态条件： 当两个或多个进程尝试同时更改共享数据时，结果将取决于执行顺序，而该顺序是不可控的，那么这种情况就称为竞态条件。
2. 死锁： 基本上，当两个进程在同一时间需要相同资源时，这种情况就称为死锁。
3. 数据不一致： 没有同步的并发访问可能导致数据损坏或不一致。

进程同步的类型

操作系统有两种主要的进程同步类型：

• 竞争性： 当两个或两个以上进程争夺对同一资源的访问权时，它们就被称为处于竞争性同步状态。
• 竞争性进程不同步可能导致不一致或数据丢失。
• 协作性： 当两个或两个以上的进程相互影响，也就是说，一个进程的执行对另一个进程有影响时，它们就被称为处于协作性同步状态。
• 协作进程之间缺乏同步可能导致死锁。

同步机制

操作系统提供了一系列同步进程的方法，使它们的交互安全且可预测。

1. 锁

锁是最简单的同步原语之一。它们限制对共享资源的访问，因此多个线程无法同时访问它。

• 互斥锁： 一次只允许一个线程访问资源的锁称为互斥锁。
• 自旋锁： 一种锁，它使线程在一个循环中等待（忙等待），直到锁被释放。

2. 信号量

信号量是控制对共享资源的访问的信号机制，通过维护可用资源的计数来实现。

• 二元信号量： 功能类似于互斥锁，允许一个线程访问资源。
• 计数信号量： 它允许多个线程对资源进行有限访问。

3. 监视器

监视器是一种高级同步原语，它封装了互斥和等待（信号）以满足特定条件。

4. 栅栏

栅栏同步一组线程，它会等待直到组中的所有线程都到达某个执行点，然后才恢复。

5. 消息传递

测试生成机制由通信和同步进程发送和接收消息组成，以防止直接访问共享资源。

同步的前提条件

关键区问题的解决方案必须满足以下三个条件：

互斥： 当一个进程在关键区运行时，不允许其他进程在其中操作。

前进： 如果没有进程在关键区内运行，并且有其他进程在等待运行，那么任何线程都应该被允许访问关键区。只有那些不在关键区运行的进程才决定哪个进程将进入关键区。

无饥饿： 一个进程在等待了很长时间后仍然没有机会进入关键区，就被称为饥饿。无饥饿也可以称为有界等待。

• 进程进入关键区不应该花费永恒的时间。
• 当一个进程请求访问关键区时，允许在它之前进入关键区的进程数量应该是有限的。
• 一旦建立了这个限制，该进程就应该能够访问关键区。

关键区问题：是什么？

关键区是一段代码，它总是只能由一个进程访问。这意味着当多个应用程序希望访问和修改单个共享数据时，一次只能允许一个进程对其进行更改。在数据可用之前，其余操作必须等待。

当 wait() 函数主要处理进入关键区时，signal() 函数则负责离开关键区。如果我们排除了关键区，我们就无法确保所有进程并发运行后的最终结果是一致的。

我们将探讨关键区问题的一些解决方案。

关键区问题解决方案

Peterson 解决方案

Peterson 解决关键区问题的方案被广泛使用。该方案基于传统的软件。此技术可确保一次只有一个进程在关键区运行。它基于这样一个概念：当一个进程在关键区运行时，另一个进程运行剩余的代码，反之亦然。Peterson 方案中的进程使用两个共享变量。

• 布尔数组 Flag[]： 一个布尔数组，其初始值为 FALSE。希望进入关键区的进程由该标志数组指示。
• int Turn： 一个整数变量。Turn 指示准备进入关键区的进程编号。

让我们看一下 Peterson 方案的一些缺点

• Peterson 方案是忙等待。
• 此外，该方案仅限于两个进程。

同步硬件 

硬件有时可以帮助解决关键区问题。某些操作系统提供了锁功能。当一个进程进入关键区时，会对其施加一个锁，并且该进程必须释放该锁才能离开关键区。因此，如果一个关键区已经被一个进程使用，那么其他进程就无法访问它。锁的值可以是 0 或 1。

互斥锁

互斥锁的创建是因为同步硬件的实现是一个复杂的过程。一种称为互斥的锁定技术用于同步关键区中的资源访问。通过这种方式，我们在关键区上使用一个 LOCK。当一个进程从入口段进入时，LOCK 被设置；当它从出口段离开时，LOCK 被取消设置。

信号量

与互斥锁不同，信号量是信号机制，进程可以使用它们来与正在等待信号量的另一个进程进行通信。互斥锁只能由创建共享锁的进程来通知。信号量使用 wait() 和 signal() 过程来保持进程同步。

同步问题

为了理解和实现有效的同步机制，我们研究一些经典的同步问题：

1. 生产者-消费者问题： 生产者和消费者之间共享一个缓冲区，并且要求双方都不能覆盖或读取空槽。
2. 读者-写者问题： 这里的想法是平衡读写操作，使它们不冲突，并优先写者执行写操作。
3. 就餐哲学家问题： 这个问题主要演示了在不导致死锁或饥饿的情况下，为多个不同进程分配有限资源的困难。

高级同步技术

随着系统复杂性的不断增加，引入了更高级的同步技术和算法。

1. 读-复制-更新 (RCU)： 一种适用于读密集型工作负载的同步方法。它允许读取者在以非阻塞方式应用更新时读取数据。
2. 事务内存： 它允许代码块以某种事务方式运行，仅在没有冲突发生时才提交更改。
3. 优先级反转处理： 一种涉及处理称为优先级反转的结构性障碍的机制，其中高优先级任务的资源被低优先级任务持有。解决此问题的一种方法是使用优先级继承。
4. 线程池： 一组最优创建的线程，可用于运行任务。线程池会自行处理同步。

硬件对同步的支持

现代处理器具有有助于同步的硬件指令：

1. Test-and-Set： 一条原子指令，它在单个操作中检查和更新内存位置，通常用于实现锁。
2. Compare-and-Swap (CAS)： 仅当内存位置与指定值匹配时，才原子地更新它，该指令用于许多无锁算法。
3. 内存屏障： 它确保读写操作的正确排序，这在多处理器系统中至关重要。

同步中的挑战

1. 死锁： 必须通过正确的设计来避免循环依赖，以防止死锁。
2. 饥饿： 由于高优先级进程总是先访问资源，某些进程可能会被强制延迟。
3. 性能开销： 同步机制会增加延迟并降低系统吞吐量。
4. 可扩展性问题： 随着线程数量的增加，同步成本也可能增加，这可能会抵消并行性的好处。

同步的实际应用

1. 数据库管理系统： 当存在并发事务时，同步可确保数据一致性。
2. Web 服务器： 通过同步对缓存和文件等共享资源的访问来管理多个客户端请求。
3. 操作系统： 通过同步处理进程调度、资源分配和进程间通信。
4. 嵌入式系统： 在汽车控制和医疗设备等系统中至关重要，这些系统中精确的时序和协调至关重要。

结论

同步是所有操作系统的重要组成部分，它允许多个进程并行执行而不相互干扰。同步允许以有序且无冲突的方式使用共享资源，例如使用锁、信号量和消息传递等机制。为了确保系统在多任务场景下保持其稳定性和性能，必须进行适当的同步。然而，随着更高级技术和特定硬件支持的出现，同步已成为当今许多计算系统中一个不断演进的问题。

常见问题

为什么需要进程同步？

当进程必须同时运行时，同步就变得必要。实现无障碍资源共享是同步的主要目标。

操作系统的竞态条件是什么？

当两个或多个线程在访问共享数据时尝试同时修改它时，就会发生竞态条件。由于线程调度机制可以随时在线程之间切换，因此您不知道哪个线程会先尝试访问共享数据。

什么是操作系统的生产者-消费者问题？

在生产者-消费者问题中，必须填充和耗尽一个有界缓冲区。当缓冲区已满时，生产者可以在插入项目后进入睡眠状态。如果缓冲区为空，则消费者必须进入睡眠状态以从缓冲区获取数据。