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原创版权标志<<操作系统精髓与设计原理>>读书笔记(一) 并发性:互斥与同步(1)

作者:阿郎  发表时间:2018/2/2 14:33:05  阅读:
[摘要] 并发问题是所有问题的基础,也是操作系统设计的基础。并发包括很多设计问题,其中有进程间通信,资源共享与竞争,多个进程活动的同步以及分配给进程的处理器时间的。
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并发问题是所有问题的基础,也是操作系统设计的基础。并发包括很多设计问题,其中有进程间通信,资源共享与竞争,多个进程活动的同步以及分配给进程的处理器时间的。

和并发相关的关键术语:

    原子操作: 一个或多个指令的序列,对外是不可分的;即没有其他进程可以看到其中间状态或者中断此操作。

    



并发中,为了确保并发下的数据完整性,我们有一系列的同步方法,其实这些就是为了实现互斥性!对临界区程序的互斥性。有三种方法: 
1.软件方法,但是该方法被证明会增加开销与缺陷
2.硬件的支持: 专门的机器指令来处理
3.操作系统或程序设计语言提供某种级别的支持


先来讲讲专门的机器指令来处理吧。
在多处理器配置中,几个处理器共享内存。在这种情况下,不存在主从关系,处理期间的行为是无关的,表现出一种对等关系,处理器之间没有互斥的中断机制。
在硬件级别上,对存储单元的访问排斥对相同单元的其他访问。基于这一点,处理器的设计者提出了一些机器指令,用于保证两个动作的原子性,如在一个取指令周期中对一个存储器单元的读与写或者读和测试。在该指令执行的过程中,任何其它指令访问内存将被组织。而这些动作将在一个指令周期中完成。

比较和交换指令:

exchange指令

在这里说句题外话:我之前其实一直纳闷原子操作是怎么回事,原来这是处理器指令的功能,.Net中的CompareExchange()方法与上面的比较与交换指令是一样的功能,返回的约定也是一模一样。也算是解除了我的一个疑问!我写过一篇关于原子操作的文章<<使用Interlocked在多线程下进行原子操作,无锁无阻塞的实现线程运行状态判断>>

信号量:
这是操作系统和用于提供并发性的程序设计语言机制。常用并发机制:

信号量: 用于进程间传递信号的一个整数值。在信号量上只有三中操作可以进行,初始化,递减,增加,这三中操作都是原子操作!递减可以用于阻塞一个进程,增加操作可以用于接触阻塞的一个进程。
上过操作系统的同学,如果有印象,那么应该还记得P/V操作,没有错,P/V操作就是我们的信号量。我还记得以前上课的时候,关于信号量最典型的一个示例就是生产者消费者模型,关于生产者消费者的实例应用,可以在我之前的博客里面找到。当时上课没有好好听,不以为然,听得还迷迷糊糊的,没有想到工作了的第一个项目就是应用它的场景....不说了。

关于信号量要说的只有两点:
1.
P操作: 递减
V操作: 递增

2.
生产者消费者应用:

可以看到,信号量的P/V操作是基于硬件处理器指令实现的。上图中的代码,我大概标注了下s, n , e变量的作用:
n: 是用来通知消费者的,因此初始化为0,是最合适的。
e: 限制缓冲区大小,如果生产者消费者队列为0或者已满就会阻塞相关线程
s: 一次允许多少个线程并发访问,这里设置的是1个,我们可以设置为10个等。
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