【操作系统】进程间通信

时间：2014-07-13 15:52:18 阅读：256 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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，称为竞争条件。凡涉及到资源的共享时就容易发生这样的事情。解决的办法是设立临界区，让进程互斥地访问共享资源。一个好的避免竞争条件的方案，必须满足4个条件：

任何两个进程不能同时处于临界区。
不应对CPU的速度和数量做任何假设。
临界区外运行的进程不得阻塞其它进程。
不得让进程无限期等待进入临界区。

忙等待互斥

1.屏蔽中断

进程在进入临界区时屏蔽中断（包括时钟中断），离开临界区时打开中断。这使得CPU无法切换到其它进程。这种方案的缺点在于，将中断屏蔽的进程可能不再将中断打开，导致CPU永远无法切换进程；而且屏蔽的只是该进程对应的CPU的中断，其它没有被屏蔽中断的CPU仍然可以访问共享资源。在多核系统中，这种方法并不适用。

2、锁变量

进程进入临界区之前必须先持有锁，然后将锁占有，其它进程得不到所而在临界区外等待。但这种方案的缺陷在于，进程在判断锁可用到占有锁之间可能会被调度，另一个进程同样发现锁可用并进入临界区。这会导致两个进程同时进入临界区。

3、严格轮换法

进程等待某个变量被置位后才能进入临界区，如下图所示：

进程a在turn变为0之前循环等待；进程b在turn变为1之前循环等待。这属于忙等待，很显然浪费了CPU时间。用于忙等待的锁称为自旋锁。这种方案的问题在于，两个进程必须按照严格的顺序交替进入临界区，这会降低速度较快的进程的执行效率。也就是违反了上述条件3.

4、Peterson算法

该算法非常简单且有效，仅由两个C函数构成：

关键的一点在于enter_region函数中的while循环，当两个进程同时进入enter_region函数时，能够确保先进入该函数的进程进入临界区，而后进入的在while循环出等待。

5、TSL/XCHG指令

TSL指令的形式如下：

TSL RX, LOCK # 将LOCK读入寄存器RX并将1写入LOCK所在内存，读和写是一个不可分割的原子操作

执行TSL的CPU将锁住总线，这使得其它任何CPU都无法访问共享内存，相当于屏蔽中断的改进版。使用TSL指令的使用方法如下所示：

另一条指令XCHG原子性地交换两个位置的内容，所以它可作为TSL指令的替代品控制进程进入临界区，原理实际上和上图是一样的，如下图所示。所有的Intel x86 CPU在底层同步中使用了XCHG指令。

休眠与唤醒

上述方案有一个共同的缺点就是进程在无法进入临界区时，处于忙等待状态，这浪费了CPU时间。要使进程在无法进入临界区时阻塞，而不是等待，可以使用进程间通信原语。例如：sleep、wakeup等。以下是另外一些进程间互斥、同步的方案。

1、信号量

由大神Dijkstra提出，它包括down（P，表示尝试）和up（V，表示增加）两种操作，所以又称PV操作：

down：检查信号量的值是否大于0，大于0则减1并继续，等于0就休眠进程，整个操作不可分割。
up：对信号量值增1，唤醒由于down操作而休眠的进程，使其继续执行未完成的down操作，整个操作不可分割。

信号量可用于进程间的互斥和同步。

互斥：在同一时刻只有一个进程能够进行操作。例如互斥地进入临界区。
同步：进程间的运行需要按照某种先后顺序。例如生产者发现缓冲区满时要停止；消费者发现缓冲区空时要停止。

使用信号量解决生产者-消费者的例子：

其中，empty和full是用来实现同步的信号量；mutex是用来实现互斥地信号量。

2、互斥量

无计数能力，是信号量的一个简化版本。互斥量包含两个状态：解锁（0）和加锁（1）。线程加锁和解锁函数mutex_lock、mutex_unlock的实现如下：

这里的mutex_lock和上面的enter_region的区别在于：调用mutex_lock的线程无法进入临界区时会释放CPU（thread_yield函数）执行另外的线程；而调用enter_region会不断循环测试（忙等待），直到临界区可用。

3、管程

使用信号量和互斥量存在一个问题：死锁。例如上面的信号量部分代码中，如果将down(&empty)和down(&mutex)顺序对调，那么就有可能发生死锁。原因在于当生产者先锁住mutex，然后empty为0休眠后，消费者由于得不到mutex锁而休眠，这样两个进程将永远休眠下去。使用管程可解决这一问题。管程由过程、变量、数据结构等组成的一个模块，进程间必须互斥地访问这个模块中的过程，如下图所示。管程的重要特性是，在任一时刻管程中只能有一个活跃进程。

上图有一个名为example的管程，包含一个整型变量i、一个条件变量c和两个过程。管程为进程的互斥访问提供了环境，接下来要解决的是同步问题。解决方法是使用条件变量：当管程中的过程发现自己无法继续运行时（例如生产者发现缓冲区满），会在某个条件变量身上执行wait操作阻塞自身并将其它进程调入管道；另一个进程（如消费者）对缓冲区进行消费后，可以调用signal向条件变量发送信号以唤醒因调用wait而阻塞的进程（如生产者），然后自身退出管程，被唤醒的进程进入管程。

4、消息传递

通过两条原语send和receive在进程间进行通信，send为发送消息而receive为接收消息（有可能发生阻塞），也就是让消息称为共享资源的载体。使用消息传递机制解决生产者-消费者问题的代码如下：