Jovry's blog
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操作系统-进程间通信

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进程间通常需要相互通信，那么进程间是如何进行信息传递的呢？怎么确保多个进程在关键活动中不会出现交叉？怎样保证进行活动是按照想要的顺序执行的呢？

相关概念：

  • 竞争条件：两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序。
  • 临界区：对共享内存（数据）进行访问的程序片段。
  • 优先级翻转：针对不同优先级的进程访问同意临界区，由于调度规则限定只要高优先级处于就绪状态就可以运行，若某一时间低优先级进程先行进入临界区，且尚未离开，此时高优先级处于就绪状态，由于低优先级不会再次被调度，高优先级进程将一直处于等待状态。

1 互斥方案

互斥方案用于保证当一个进程在临界区操作时，其他进程不会进入临界区。

1.1 屏蔽中断

屏蔽中断即每个进程一进入临界区立即屏蔽所有中断，然后在离开前再打开中断。

缺点：

  • 将屏蔽中断的权利交予用户进程，不可控因素太多，若进程屏蔽后未及时打开，可能导致系统崩溃；
  • 对于多处理器，仅对当前运行CPU有效；

1.2 锁变量

锁变量法是一种软件解决方案，其思想为设置一个共享锁变量，为其设置初始值（假设为0），当一个进程进入临界区，它将首先检测锁变量的值是否为0，若是，则将锁变量的值设置为加锁值（假设为1）；若非0，则进行等待。

缺点：该方法不能彻底解决互斥问题，若进程A读取锁变量值为0，且未解锁，此时CPU调度进程B，此时进程B读取锁变量也将为0。

1.3 严格轮换法

严格轮换法的思想是要求两个进程严格第轮流进入他们的临界区。如下图所示：

严格轮换法示例

1.4 Peterson解法

Peterson算法示例：

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#define FALSE 0
#define TRUE 1
#define N 2 // 进程数量

int turn; // 当前轮到哪个进程
int interested[N]； // 所有值初始化为0

void enter_region(int process) // 准备进入临界区的进程号
{
	int other; // 其他进程号
	other = 1 - process; //另一方进程
	interested[process] = TRUE; // 标识感兴趣
	turn = process; // 设置标识；
	while(turn == process && interested[other] == TRUE); // 等待；
}

void leave_region(int process) // 离开临界区的进程号
{
	interested[process] = FALSE;
}

1.5 TSL指令

通过硬件加锁的方式，使用命令TSL RX,LOCK将一个内存字lock读到寄存器RX中，然后在该内存地址上存一个非零值。执行该指令的CPU将锁住内存总线，以禁止其他CPU在本指令结束之前访问内存。

锁住存储总线和屏蔽中断有什么区别？

  • 屏蔽中断：对于多处理器无效，仅会屏蔽当前处理CPU。

  • 锁住总线：通过一个特殊的硬件设备，保证其他处理器也无法使用。

2 信号量

信号量使用一个整型变量来累计唤醒次数，其取值可以为0（标识没有被保存下来的唤醒操作）或正值（标识有一个或多个唤醒操作）。

信号量有两种操作：

  • down（sleep）-P操作：
    • 信号量的值大于0：将值减1并继续；
    • 信号量的值等于0：将进程将睡眠，此时down操作并未结束。
  • up（wakeup）- V操作：对信号量的值增加1。有一个或多个进程在该信号量上睡眠，无法完成先前的down操作，则由系统选择一个，并允许该进程完成它的down操作。