工艺应用 Synchronization：操作系统中的关键部分问题

这会导致共享数据的不一致。因此，当其他进程访问相同的共享数据时，一个进程所做的更改不一定能反映出来。为了避免这种类型的数据不一致，进程之间需要相互同步。

如何处理 Synchronization 有效吗？

例如，进程 A 正在更改内存位置中的数据，而另一个进程 B 正在尝试从 同 内存位置。第二个进程读取的数据很有可能是错误的。

程序的各部分

以下是关键部分的四个基本要素：

• 参赛部分： 它是决定特定进程的进入的进程的一部分。
• 关键部分： 这部分允许一个进程进入和修改共享变量。
• 退出部分： 退出部分允许在进入部分等待的其他进程进入关键部分。它还检查是否应通过此部分移除已完成执行的进程。
• 剩余部分： 代码中除关键部分、入口部分和出口部分之外的所有其他部分称为剩余部分。

什么是临界区问题？

临界区是一段代码，在特定时间点，仅允许一个进程访问。该段由需要其他进程访问的共享数据资源组成。

• 进入临界区由wait()函数处理，用P()表示。
• 临界区的退出由 signal（）函数控制，表示为 V（）。

在临界区中，只能执行一个进程。其他进程在等待执行其临界区时，需要等到当前进程执行完毕。

临界区规则

临界区必须执行所有三条规则：

• 互斥： 互斥是一种特殊类型的二进制信号量，用于控制对共享资源的访问。它包含优先级继承机制，以避免扩展优先级反转问题。一次只能有一个进程在其临界区中执行。
• 进展情况： 当没有人在临界区而有人想进入时，使用此解决方案。然后，那些不在其提醒区中的进程应该在有限的时间内决定谁应该进入。
• 等待限制： 当一个进程请求进入临界区时，可以进入其临界区的进程数量是有特定限制的。因此，当达到限制时，系统必须允许该进程请求进入其临界区。

关键部分的解决方案

进行中 Sync同步化，临界区起主要作用，因此问题必须得到解决。

以下是一些广泛使用的解决临界区问题的方法。

彼得森解决方案

Peterson 解决方案是解决临界区问题的广泛使用的方法。该算法是由计算机科学家 Peterson 开发的，因此被称为 Peterson 解决方案。

在此解决方案中，当一个进程处于临界状态时，另一个进程将只执行其余代码，反之亦然。此方法还有助于确保在特定时间只有一个进程在临界区运行。

例如：

PROCESS Pi
FLAG[i] = true
while( (turn != i) AND (CS is !free) ){ wait;
}
CRITICAL SECTION FLAG[i] = false
turn = j; //choose another process to go to CS

• 假设有 N 个进程 (P1、P2、… PN)，每个进程在某个时间点都需要进入临界区
• 维护一个大小为 N 的 FLAG[] 数组，默​​认情况下该数组为 false。因此，每当进程需要进入临界区时，它都必须将其标志设置为 true。例如，如果 Pi 想要进入，它将设置 FLAG[i]=TRUE。
• 另一个名为 TURN 的变量表示当前等待进入 CS 的进程号。
• 在退出时进入临界区的进程会将TURN更改为就绪进程列表中的另一个数字。
• 例如：turn 为 2，则 P2 进入临界区，退出时 turn=3，因此 P3 跳出等待循环。

Sync认证硬件

有时临界区的问题也可通过硬件解决。有些操作系统提供锁定功能，进程在进入临界区时获取锁定，离开临界区后释放锁定。

因此，当另一个进程试图进入临界区时，由于临界区已被锁定，因此无法进入。只有当它自己获得锁并空闲时，它才能进入临界区。

互斥锁

Sync同步硬件对于每个人来说并不是一个简单的方法，因此还引入了称为互斥锁的严格软件方法。

在这种方法中，在代码的入口部分，获取对临界区内使用的关键资源的锁定。在出口部分，释放该锁定。

Semaphore 解决方案

Semaphore 只是一个非负的变量，在线程之间共享。这是临界区问题的另一种算法或解决方案。它是一种信号机制，一个线程正在等待信号量，可以由另一个线程发出信号。

它使用两个原子操作，1）等待，和2）信号进行进程同步。

例如：

WAIT ( S ):
while ( S <= 0 );
S = S - 1;
SIGNAL ( S ):
S = S + 1;

结语

• 进程同步是协调进程执行的任务，使得任何两个进程都不能访问相同的共享数据和资源。
• 临界区的四个元素是 1）入口区 2）临界区 3）出口区 4）提醒区
• 关键部分是可在特定时间点由信号进程访问的一段代码。
• 临界区必须执行的三个规则是：1）互斥 2）进程解决方案 3）边界等待
• 互斥是一种特殊类型的二进制信号量，用于控制对共享资源的访问。
• 当临界区内无人，而有人想进入时，可使用流程解决方案。
• 在绑定等待解决方案中，当一个进程发出进入其临界区的请求后，可以进入其临界区的其他进程数量是受到限制的。
• 彼得森解决方案是解决临界区问题的广泛使用的解决方案。
• 关键部分的问题也通过硬件同步得到解决
• Sync同步硬件对于每个人来说都不是一种简单的方法，因此还引入了称为互斥锁 (Mutex Locks) 的严格软件方法。
• Semaphore 是临界区问题的另一种算法或解决方案。