【操作系统】进程同步
这篇笔记我们讲讲进程协作之间的进程同步。
首先还是看这张图，对我们当前正在学习的地方做一个定位：
上一篇笔记我们已经讲了进程通信相关的知识，这篇笔记我们讲讲进程协作之间的进程同步。
进程同步
1. 基本概念
1.1为什么要提出？
进程同步是为了协调多个进程或线程对共享资源的访问，以确保数据一致性、避免冲突，并保证程序按预期执行。在操作系统中，多个进程或线程可能需要同时访问共享资源（例如内存、文件、硬件设备等），如果没有合适的同步机制，可能会出现一些不可预期的问题，如数据竞争、死锁（后面详讲）、资源浪费等。
1.2 同步是什么？
进程我们前面已经提及过了，这里不多赘述，直接理解同步
同步分为进程同步和资源同步，进程同步我们下面会详细讲述，这里简单提一下。进程同步指多个进程在特定点会合（join up）或者握手使得达成协议或者使得操作序列有序。数据同步指一个数据集的多份拷贝一致以维护完整性。常用进程同步原语实现数据同步。1
1.3 什么又是互斥？
两个或两个以上的进程，不能同时进入关于同一组共享变量的临界区域，否则可能发生与时间有关的错误，这种现象被称作进程互斥。 也就是说，一个进程正在访问临界资源，另一个要访问该资源的进程必须等待。
1.4 临界资源是啥？
1.4.1 系统资源
前面一直说系统资源，或许有同学会疑问啥是系统资源。在计算机科学中，系统资源（英语：system resource），或是资源（英语：resource），意指是一个电脑系统中，限制其运算能力的任何实体或是虚拟的组成元件。任何连结到电脑系统中的装置，都是一个资源，例如键盘、萤幕等。电脑系统内部的任何元件都是资源，如CPU，RAM。电脑系统中的软件虚拟元件，包括档案，网络连线与记忆体区块等，都是一种资源。2
1.4.2 临界资源（共享资源）
临界资源（Critical Resource）是指在并发环境中，多个进程或线程需要共享访问，但同一时刻只能被一个进程或线程使用的资源。也就是一种特殊的共享资源。3
在多道程序环境下，存在着临界资源，它是指多进程存在时必须互斥访问的资源。也就是某一时刻不允许多个进程同时访问，只能单个进程的访问。我们把这些程序的片段称作临界区或临界段，它存在的目的是有效的防止竞争条件又能保证最大化使用共享数据。而这些并发进程必须有好的解决方案，才能防止出现以下情况：多个进程同时处于临界区，临界区外的进程阻塞其他的进程，有些进程在临界区外无休止的等待。除此以外，这些方案还不能对CPU的速度和数目做出任何的假设。只有满足了这些条件，才是一个好的解决方案。4
1.4.3 临界区
临界区指的是一个访问共用资源（例如：共用设备或是共用存储器）的程序片段，而这些共用资源又无法同时被多个线程访问的特性。当有线程进入临界区段时，其他线程或是进程必须等待（例如：bounded waiting 等待法），有一些同步的机制必须在临界区段的进入点与离开点实现，以确保这些共用资源是被互斥获得使用，例如：semaphore。只能被单一线程访问的设备，例如：打印机。5
2. 同步如何实现
实现同步也就是实现临界区进程（或线程）之间的互斥访问
2.1 访问原则
2.2 软件实现（后续补充）
2.2.1 单标志法
2.2.2 双标志先检查法
2.2.3 双标志后检查法
2.3 硬件实现（后续补充）
2.3.1 中断屏蔽方法
2.3.2 Test-And-Set（(TS指令/TSL指令）
2.3.3 Swap指令（EXCHANGE，XCHG指令）
2.3.4 信号量机制（重点，下一节详细讲解）
3. 参考资料
维基百科：同步_(计算机科学)↩︎
维基百科：资源_(计算机科学)↩︎
ChatGPT：临界资源↩︎
百度百科：进程互斥↩︎
百度百科：临界区↩︎