今天我们来介绍同步互斥
同步互斥是操作系统当中
协调进程之间动作
和相互关系的一种机制
那在这里头呢
我们通过生活当中的例子
先来说明同步互斥
到底是个什么样的问题
我们有一些什么样的办法来解决它
然后呢是在计算机系统当中
我们给出三类不同的做法
我们下面会一一来介绍它
首先我们来介绍同步互斥的背景
那就是说为什么我们要做这件事情
那在以前我们在写程序的时候呢
我写一个独立的程序
这个程序呢它不需要
和其它的进程共享状态和资源
那在这种情况下它的确定性
和可重现呢是可以保证的
也就说你只要是
输入的状态是一致的
那么它输出的结果呢
一定就是相同的
然后我第一遍执行
和第二遍执行它的结果是一样的
但是由于我们在实际的程序当中呢
如果说你在这里头
以这种方式来做的话
那我们这个程序的功效呢
就很有限了
通常情况下
我们写好一个程序之后呢
是希望它在每一次做的时候呢
它对不同的数据进行处理
那这时候我们
在中间的过程当中 执行的时候
这个顺序就不是很重要
而我们在操作系统当中呢
有了多进程之后
这时候会有多个
并发的进程交替执行
这种交替执行呢
会导致进程之间有资源共享
比如说大家都要占用CPU
那我是时分的
大家都要占用内存
那我是把一块区域分配给你
把另一块区域分配给另外一个进程
正是由于这种资源的共享
这种不确定性和
不可重现呢就会产生
那如果说在这里头你的程序的结果
对这种不确定性 或者说
这种不一致性是没有依赖的
那我们在这里变化这一部分呢
不影响到你的结果
那这时候我们程序
应该也算是正确的
但是一些时候呢
这种状态的不一致呢
会导致你运行结果的不一致
甚至于有些情况下这种不一致呢
就是我们希望它出现的
比如说我两个进程之间在通讯
那根据通讯对方回过来信息的不同
我这边处理是不一样的
而这种在通讯的过程当中两者之间
保证它可重现的这事是不行的
那在这种情况下
我们要想保证一个进程执行的
正确性的难度就增加了
好 这时候会出现一类
什么样的错误呢
就是我们有一些错误它是间歇性的
也就说你第一遍执行
那外界的环境跟现在不一样
那也许没错
到另一次执行的时候呢
它可能就出错了
实际上这是我们在
实际写程序当中呢
经常碰这种情况
你自己在那儿测试的时候
你的程序都一切正常
交给用户用的时候情况就变了
那你说我在这里严格测试之后
为啥会不一样呢
实际上这里头你所说的严格
总会有一些依赖的环境
跟你在测试的时候
和真实系统运行的时候 是不一样的
好 那你说这样一来的话
这件事情带来这么多麻烦
我们不这样做不就行了吗
但是进程的并发执行呢
又给我们带来很多的好处
这些好处呢
导致于我们非常希望这样做
也就是说进程要与
计算机系统当中的其它进程
或者是设备要进行协作
那这种协作呢
可以带来这样一些好处
第一个是说共享资源
你比如说有多个用户
想使用一台机器
那他们之间呢
这台计算机资源呢
就是大家共享的
好 那这样的话
我们可以节约成本
然后说你的钱存到银行里头
但你并不一定什么时间在什么地方
那这个银行帐号的余额呢
我可以在多台取款机上操作
那这时候我就可以
就近存取我的现金
那这会是给你带来好处的
然后说我们在嵌入式系统里头
你比如说机器人
那上头呢它有多种设备
比如说 我们的手臂和手
之间的控制机构
它们之间要协调
因为只有在这种情况
你协调到一起
你才能够完成一个复杂的动作
比如说机器人的
直立行走或者说跑步
那这些呢都需要多个机构来协调的
这些共享呢
是我们这里必须要做的
然后第二个好处呢
它是可以提高速度
比如说我们在这里头
我们在前面讲进程的时候说
CPU是管计算
设备是跟外界做交互的
这两个实际上它们是可以
在时间重叠上可以一起工作的
那它是并行
如果说你在算的时候
I/O设备你不能让它工作
那这时候呢I/O设备就只能闲着
而你在做I/O的时候
CPU没有相应的数据
它也没办法做
好这样的话
这两个效率就降低了
那我们希望呢
这两个能很合理进行安排
以便于它们俩可以同时工作
那这样的话
程序运行的速度就提高了
再有一个呢是说
我如果说系统里有多个处理机
我把一个程序切成若干个模块
这些模块呢可以作为独立的程序
跑到不同的处理机上
那这时候它可以并行执行
也可以提高它的速度
这是提高速度两种做法
然后还有一种呢
我们可以把程序模块化
我用多个进程来
完成一个综合的功能
比如说我们在这里头说到编译
以编译的过程为例
编译呢 我们可以把它分成
源代码模块的编译
然后库的编译 和最后的链接
这样几个部分
那这几个部分呢
我们把它写成独立的程序
那这样的话它们组合到一起
进行复用和扩展呢也会比原来方便
所以基于这样的理由呢
我们需要让多个进程并发执行
好 那我们刚才说
并发执行有状态的变化
这些状态变化可能影响到
我程序执行的结果
那在这儿呢我们就举一个例子
看看到底它会有什么样的影响
这些影响我们怎么来控制它
在这儿举的例子是说
我们在操作系统里
有一个进程创建的系统调用fork
这个创建进程的系统调用呢
它要给每一个新创建进程呢
分配一个进程ID 一个标识
那这个标识的分配呢
在我们系统里头呢
就会是对应过来这样一行代码
在操作系统内核里头
fork的实现代码里头
也能找到这样一行
说我一个进程的ID
那是系统里呢有一个全局变量
这个变量呢叫nextpid
好 我把它赋值并且加1
也就是说把当前的值
赋给你新分配的这个进程
然后把它的值呢加1
这样的话下一次再来分配的时候
我就是接下来这个值了
那这个代码呢
我们在实现的时候呢
机器在编译的时候
就会把它转换成这样几条汇编指令
在源代码里就一行
那这翻译成的这四条指令
你拿过来执行呢应该也是没问题的
它是把你这个全局变量里的ID
读到一个寄存器里头
然后再把这个寄存器
赋值到你这个进程
自己的进程控制块里的变量
newpid
然后把它这个寄存器值加1
然后再把加1之后的结果呢
重回到你原来的nextpid
好 这个过程就结束了
那正常情况下执行呢
这也是没有问题的
好 我们希望它
预期的结果呢是这样的
假定我开始的时候对pid是100
一个进程调用fork
它由100变成101
然后第二个进程再调用fork
那它分配到101
然后把当前值呢变成102
好 那这是我们期望的结果
好 那在这个过程当中我们看一下
如果说我的执行顺序
在一种特定的顺序下
这个预期的结果能出现吗
这就是我们这里说到的
一种可能的错误
好 假定说我有两个进程 A和B
那它在运行的时候呢
调用fork之前呢
它自己有自己的一个
局部变量 new_pid
这里面也有一个
它俩的名字是一样的
好 整个系统里呢有一个nextpid
那 当前值它是100
好 那我们这时候呢调用fork
我们重点关注是刚才那条
分配进程标识的代码
它所对应的汇编代码的执行顺序
好 我们首先呢是这四条汇编语句
那应该是说在中间
它会可能出现切换
先上来之后读nextpid
然后这个时候呢发生了一次切换
到进程B再去读这个pid
好 那这两条执行完了之后
我们看到你newpid就已经变成了100
而进程B呢也变成了100
那这时候实际上我们就
已经发现它有问题了
它俩是相同的值
那你给两个不同新创建进程
分配了一个相同标识
那这时候会有麻烦的
好 我们看 好 然后这时候呢
再执行加1写回去 这地方变成101
好 然后这回切换回来
到右边的进程
再加1赋值
那这地方还是101
这个赋值就被赋值了两遍
并且是相同的值
好 那么这时候大家看
在这个过程当中
出现了什么一情况
两个进程的分配的ID是一样的
并且新创建的变化完了之后
ID它不是创建了两个进程
我应该加2 这地方它只加了1
好 那这时候出现
这种情况的原因是什么
原因就是在于
我们正常假设这四条是一块执行的
读出来 赋值 然后加1写回去
这边呢读出来赋值做了
加1写回去这件事情中间被切断了
好 切断之后
这两头的加1就变成是相同的了
写回去也就变成相同的了
好 那这个时候呢
我们这个状态就出结果了
好 这时候出现这种的问题的
原因在什么地方
就是读出加1这个操作
它并没有是一个整体在进行操作
这就是我们这里说的原子操作
原子操作是指一次
不存在任何中断或失败的操作
如果出现了中间的失败
中断那这时候是不行的
在生活当中的原子操作是什么呢
你比如说我到银行里去
存款或者取款
那你是有一个假设的
说我把钱给到窗口里头
那么这时候呢我的存折上的钱
金额是要发生变化的
这两个一起发生
那储户没有任何意见
好 如果这两个分开
你存进去钱了
但是你的存折上的
金额没有发生变化
要么你不同意
要么银行不同意
好 那这是我们
这里说的原子操作
那要求要么成功执行
要么没有操作
不会出现部分执行的状态
这是我们在这里头呢
如果说我们刚才
pid加1的这个操作
它是个原子
那我们这儿就没问题了
现在的问题是我们把它分成两段
中间做了个切换
这是我们要面临的挑战
所以我们今天讨论
同步互斥问题的时候
就是要在操作系统里头
提供一种同步机制
既允许并发执行
以便于我能做到资源共享
和提高速度
同时我要让一些操作呢
是原子操作
因为你不是原子操作之后
所带来的麻烦就会很大
那这是我们在这里的需求
接下来我们会来说
我们有一些什么样的办法
来解决这个问题