进程互斥的硬件实现方法

本文----------------------基于B站王道计算机教育《操作系统》课程编写（类似笔记hh），部分图片来源于课程。 

一、核心思想

硬件方法通过​​原子性指令​​解决竞态条件，其本质是利用CPU底层指令的不可中断特性实现临界区保护。典型方案包括：

• ​​中断屏蔽法​​（适用于单处理器）

• ​​TestAndSet（TSL）指令​​

• ​​Swap（XCHG）指令​​

二、硬件实现方法

1. 中断屏蔽方法

​​实现原理​​：

• 利用“开 /关中断指令”实现
  • 关中断 即不允许当前进程被中断也必然不会发生进程切换
  • 临界区
  • 开中断 直到当前进程访问完临界区，再执行开中断指令，才有可能有别的进程上处理机并访问临界区

// 临界区保护模板
disable_interrupts(); // 关中断
// 临界区代码
enable_interrupts();  // 开中断

优点：实现简单、性能高效

缺点：

• 不适用于多处理器系统

• 用户态进程禁止直接操作（需内核权限）

• 长临界区会导致系统响应延迟

2. TestAndSet（TSL）指令---->不满足“让权等待”原则

也被称为测试并设置（Test-and-Set）指令 。以 C 语言描述其逻辑如下：首先，将一个存储器字读到一个寄存器中，然后在该内存地址上存一个非零值 。这个读数和写数的操作是不可分割的，即该指令结束之前其他处理机均不允许访问该存储器字 。简单来说，TSL指令会将共享变量lock的值读取到寄存器中，并将lock设置为1（表示上锁） 。若读取到的lock原始值为0，说明锁未被占用，当前线程可以获取锁；若为1，则说明锁已被占用，线程需要继续循环执行TSL指令，直到读取到的值为0 。

​​原子操作流程---->不可被中断​​：

TSL REGISTER, LOCK
// 伪代码实现
bool TestAndSet(bool *lock) {bool oldValue = *lock;*lock = true;return oldValue;
}

​​典型应用​​：

bool lock = false;void enter_critical() {while (TestAndSet(&lock)) {// 自旋等待}// 临界区
}void exit_critical() {lock = false;
}

优点：

• 硬件级原子性保障

• 适用于单/多处理器环境

缺点：

• 忙等待导致CPU资源浪费

• 未实现"让权等待"原则

3. Swap（XCHG）指令--->不满足“让权等待”原则

即交换（Exchange 或 XCHG）指令 。它是一种硬件级别的原子操作，用于交换两个内存位置的值 。在实现互斥锁时，一个内存位置通常是锁变量，另一个内存位置是一个临时变量 。其工作原理是，读取两个内存位置的值并进行交换 。如果锁变量在交换前为false（表示锁未被占用），则当前进程或线程将锁变量设置为true（通过交换操作），并进入临界区；如果锁变量在交换前为true（表示锁已被占用），则当前进程或线程将保持等待状态，直到锁变量被其他进程或线程释放（即设置为false） 。

​​原子交换操作​​：

XCHG REG, MEM
// 伪代码实现
void Swap(bool *a, bool *b) {bool temp = *a;*a = *b;*b = temp;
}

​​实现逻辑​​：

bool lock = false;
bool old = true;void enter_critical() {while (old == true) {Swap(&lock, &old);}// 临界区
}void exit_critical() {lock = false;
}

​​对比​​：

都是先记录下此时临界区是否已经被上锁（old变量），再将上锁标记 lock 设置为 true，最后检查old，如果 old 为 false 则说明之前没有别的进程对临界区上锁，则可跳出循环，进入临界区。

三、核心原则

​​结论​​：

硬件方法虽解决了竞态条件，但均未实现"让权等待"，需结合高级同步机制（如信号量）优化

四、总结