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临界资源,临界区,通信的干扰问题(互斥),信号量(本质,上下文切换问题,原子性,自身的安全性,操作)

news 2025/9/11 6:24:45

引入

概念

临界资源

临界区

干扰存在原因

互斥

信号量

引入

举例

概念

介绍

表示可用资源数

表示等待进程数

申请信号量

信号量的本质

全局变量?

共享内存?

不安全问题 -- 上下文切换

原子性

信号量自身的安全性

原子操作的意义

操作

引入

通信的本质只有一个 -- 让不同进程看到同一份资源
但这样会带来一些问题,管道还好(它底层自带有访问控制)
但共享内存没有 -> 会出现时序问题
可能在数据只写入一半的时候,另一方就读取了 -> 导致数据不一致 -> 导致处理数据发生问题

概念

临界资源

多个进程(执行流)看到的公共的一份资源(比如管道,共享内存块)

临界区

我们为了完成通信,会写很多代码

只有真正涉及到 对临界资源的访问 的部分,才被叫做临界区

干扰存在原因

干扰的问题在于 -- 数据只写入一半的时候,另一方就读取了
也就是 -- 让通信的进程都可以不加保护的访问了临界资源
这样会发生相互竞争,导致数据读取写入的情况不符合我们的预期
而各个进程的非临界区的代码运行是互不影响的

互斥

为了防止干扰情况的出现
我们让任何时刻下,只能有一个执行流访问临界区(串行使用)
但是,临界资源只被一个执行流使用,效率实在太低了
为了保证多进程/线程之间通信的效率,我们可以将临界资源分成多份使用,每个进程在不同的部分执行

信号量

引入

为了保证让每一个进程访问临界资源不同的部分,互不干扰

需要先申请信号量,而不是直接去占用

举例

类似于,当你要去看电影,你得先买票
买票后可以保证在这个大厅一定拥有一个你的座位
且保证这个座位在特定的时间只有你来使用
并且也可以保证这场大厅的进入人数不会超过座位数
这样恰好可以满足互斥的需求,也提高了使用效率

概念

介绍

信号量实际上是一种计数器,用来表示可用资源的数量或者进程等待的数量
它可以用于控制对共享资源的访问，防止多个进程同时访问共享资源而导致的数据混乱或冲突

表示可用资源数

当一个进程或线程想要访问共享资源时，它会先检查信号量的值:
如果信号量的值大于0，表示有可用资源，进程可以继续执行并减少信号量的值
如果信号量的值为0，表示没有可用资源，进程可能会被阻塞或等待，直到信号量的值大于0为止

表示等待进程数

当一个进程发送信号通知其他进程时，它可能会增加信号量的值
而等待的进程在收到信号时会减少信号量的值
这样，信号量的值可以用来跟踪等待的进程数量

申请信号量

让信号量计数器的值--
本质上是对临界资源的一种预定(类比看电影,买了电影票相当于你预定了这个座位被你使用)
释放信号量,就是让计数器++

信号量的本质

全局变量?

如果它是一个全局变量

对于父子进程,可以互相看到这个全局变量
但一旦改变,这个计数器就互相独立了

对于不同进程,进程之间具有独立性,无法看到

共享内存?

如果它是一个在共享内存的变量,所有进程都能看到这个计数器

不安全问题 -- 上下文切换

假设它是一个整型
当我们需要对整型计算时,只有借助cpu才能完成计算,因此n--需要有三步操作(读取指令,分析+执行指令,将结果写回内存)
但是,进程是随时可能会被切走的
当其中一个进程在执行完第一步的时候被切走了,会带走自己的临时数据(也就是上下文)
然后其他进程过来执行临界区代码,他们读取到的计数器还是原先的值,因为第一步操作还没有改变计数器

如果这段过程,当前进程改变了计数器的值
这时再将之前那个进程切回来,它会按原先执行的地方向后执行,然后将原先的值-1 ,写回计数器
这样就使这个计数器不是按照顺序来改变,会导致这份临界资源是不安全的

原子性

因此,我们需要保证对信号量的改变是不被打断的
信号量的改变结果只有两种情况,要么没变,要么改变,没有中间状态
(如果有中间状态,在不断的切换中,会导致上面的信号量的值不一致的问题)
也就是操作要具有原子性
除此之外,我们也需要不断的更新计数器的值(每个进程拥有自己的计数器副本)
如果具有原子性,一旦对其操作,就一定会改变计数器,所以可以及时的拿到计数器新的状态

信号量自身的安全性

上面我们假设每个进程都可以看到这个计数器,是不是就说明信号量也是临界资源呢?
我们就相当于用临界资源来保护临界资源,那是不是意味着我们还需要另一种"信号量"来保护信号量？
所以,为了不陷入无限循环,我们要确保信号量是安全的,不需要其他的东西来保护它不受干扰
所以,对信号量的操作必须都是原子的