作業系統程序同步問題

一、臨界區

互相協作的程序之間有共享的資料，於是這裡就有乙個併發情況下，如何確保有序操作這些資料、維護一致性的問題，即程序同步。為了解決合作程序之間的競爭條件，引入臨界區問題模型。臨界區是包含訪問共享資料指令的相關**段，也是多個程序都包含的**段，在這段**中可能會進行更新資料表、交換變數等操作。從資料一致性的角度來說，當乙個程序進入臨界區後，其他程序就不允許進入臨界區，也就是不能有多個程序同時處於臨界區。

臨界區問題（critical-section problem）是設計乙個以便程序協作的協議。每個程序必須請求允許進入其臨界區。實現請求的**段稱為進入區（entry section），臨界區之後可有退出區（exit section），其他**段成為剩餘區（remainder section）。

臨界區問題的解答必須滿足三項要求：

（1）互斥（mutual exclusion）：如果程序pi在其臨界區內執行，那麼其他程序都不能在其臨界區內執行；

（3）有限等待（bounded waiting）：從乙個程序做出進入臨界區的請求，直到該請求允許為止，其他程序允許進入其臨界區內的次數有上限。

二、訊號量

訊號量s是個整數變數，除了初始化外，它只能通過兩個標準原子操作：wait()和signal()來訪問。即p和v。

wait()就是等待資源的過程，定義可表示為：

wait(s)

signal()就是釋放資源的過程，定義可表示為：

signal(s)

在wait()和signal()操作中，對訊號量整型值的修改必須不可分地執行。即當乙個程序修改訊號量值時，不能有其他程序同時修改同一訊號量的值。另外，對於wait(s)，對於s的整數值測試(s≤0)和對其可能的修改(s–)，也必須不被中斷地執行。

訊號量的基本用法如下：

do
while(true);

可以看到互斥鎖其實就是訊號量的一種特殊形式（當訊號量為二進位制訊號量時），而從互斥鎖中可以知道其具有忙等待的缺點，可以通過阻塞自己來解決這一缺點。

將訊號量定義為結構體，如下：

typedef struct
semaphore;
wait實現：
wait(semaphore *s)//消耗資源
}

signal實現：

signal(semaphore *s)//釋放資源
}

在具有忙等的訊號量經典定義下，訊號量的值不會為負數，但是本實現可能造成訊號量為負值。如果訊號量為負值，那麼其絕對值就是等待該訊號量的程序的個數。訊號量的關鍵之處是它們原子的執行。必須確保沒有兩個程序能同時對乙個訊號量進行操作，在單處理器情況下，可以在執行wait()和signal()的時候簡單的關閉中斷，保證只有當前程序進行。

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