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计算机操作系统进程（4）

article 2025/3/17 12:31:07

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第二章：进程的描述与控制

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前言
一、临界区的概念和描述：
二、硬件同步机制：
- 1.关中断
- 2.利用Test-and-Set指令实现互斥
- 3.利用Swap指令实现进程的互斥
总结

前言

上一篇我们仅仅讲了一点关于线程同步的概念，临界区和同步机制应遵循的规则，这篇我们文章仅仅给大家讲一下软硬件的是如何实现同步机制的，下面我们会使用类c语言来进行实现，正好也复习了一下C语言的内容。

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、临界区的概念和描述：

临界区很重要，所以我还是想先给基础打好，带着大家再复习一下

不论是软件临界资源还是硬件临界资源，多个进程必须互斥地对它进行访问。在每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。

下面是对访问临界资源的循环进程描述如下：

 while(True){
 
   进入区//enter section
   临界区//critical section
   退出区//exit section
   剩余区//reminder section


}

进入区是因为如果此刻该临界资源正在被某进程访问，则本进程不能进入临界区。所以必须在临界区前面添加一段用于检查上述的代码。

退出区是为了用于将临界区正在访问的标志恢复为未被访问的标志。（下面都有具体实现）

剩余区就是进程中除上述进入区，临界区及退出区之外的其它部分的代码在这里都称为剩余区。

至于同步机制应遵循的原则就看我上面进程（3）的内容吧

1.空闲让进 2.忙则等待 3.有限等待 4.让权等待（例子：释放CPU资源）

二、硬件同步机制：

1.关中断

关中断是实现互斥的最简单方法之一。在进入锁测试之前关闭中断，直到完成锁测试并上锁之后才能打开中断，这样进程在临界区执行期间，计算机系统不响应中断，从而不会引发调度，也就不会发生进程和线程切换。

但万事都有利有弊，缺点就是：

（1）滥用关中断权力可能导致严重后果

（2）关中断时间过长，会影响系统效率，限制了处理器交叉执行程序的能力

（3）关中断方法也不适用于多CPU系统，因为一个又阻止不了多个。

2.利用Test-and-Set指令实现互斥

boolean TS(boolean *lock){
   boolean old;
     old = *lock; 
   *lock = TRUE;
    return old;
}
do{
....

while TS(&lock);     


critical section;
Lock = FALSE;
remainder section;

}while(TRUE);

以我的理解给大家解释一下，其实这里面按字面意思理解就行，就是我们把Lock变量当作一把锁，因为我们要实现互斥肯定要只能当前有一个线程来运行，然后刚开始的临界资源就是空闲的，所以Lock置为False，这时肯定能进入临界区，此时TS当中的Lock已经变成了TRUE，即上锁了，然后该进程访问完临界资源后就将Lock置为False，下一个线程就可以再进来了。

3.利用Swap指令实现进程的互斥

void Swap(boolean *a,boolean *b){
      boolean temp;
    temp = *a;
   *a = *b;
   *b = temp;
}
do{

key = TRUE;
do{

swap(&lock,&key);

}while(key!=FALSE);
//临界区操作;
lock = FALSE;
......

}while(TRUE);

swap函数是一个对换指令，用于交换两个字的内容。

这其实本质也是一个设置一个锁，方法是为每一个临界资源设置一个全局的布尔变量Lock，其初值为false，在每个进程中再利用一个局部布尔变量Key。

当临界资源忙碌时，其他访问进程必须不断的进行测试，处于一种“忙等”状态，不符合“让权等待”的原则，造成处理机的浪费，同时也很难它们用于解决复杂的进程的同步问题。

注意：这里面的Key是一个全局变量，所有进程都共享，进来的时候Key都先为TRUE，注意这里的每个进程都是会重头做的。