操作系统：进程互斥的硬件实现详解

"进程互斥的硬件实现-操作系统课件" 操作系统中的并发进程、进程互斥、同步和通信是多处理器系统中确保正确执行的关键概念。并发进程指的是两个或多个进程在同一时间段内同时运行，而进程互斥则是确保在任何时候只有一个进程能访问共享资源，防止数据的不一致性。 在进程互斥的硬件实现中，test_and_set和swap指令扮演了重要角色。这两个指令都是原子操作，意味着它们在单个CPU环境下不可中断。test_and_set指令的工作原理是读取内存中的一个单元值，然后将新值写回，这一过程是原子的，不会被其他进程打断。这个指令常用于构建锁机制，例如自旋锁，当一个进程尝试获取锁时，如果发现锁已被占用（即test_and_set返回非零），则会不断循环检查直到锁变为可用。 swap指令则更加简单，它交换内存中两个单元的内容。这个操作同样原子，可以用于实现类似互斥锁的效果，比如在一个标志位上进行交换来控制对共享资源的访问。 在并发程序中，前趋图是一种描述进程间依赖关系的工具。它是一个有向无环图，其中每个节点代表一个进程或计算步骤，边表示一个进程必须在另一个之前完成的顺序关系。初始节点是没有前趋的节点，终止节点是没有后继的节点。通过分析前趋图，我们可以理解进程间的执行顺序，这对于理解和设计并发程序的调度策略至关重要。 顺序程序执行具有内部和外部顺序性。内部顺序性保证了一个进程中指令的执行顺序，而外部顺序性则保证了多个进程的执行顺序。在顺序执行中，程序具有连续性、封闭性和可再现性，即指令按序执行，不受其他程序干扰，且结果不受执行速度影响。 然而，当程序并发执行时，内部并发性允许程序内部的不同部分并行运行，而外部并发性是指多个程序之间可以交替运行。这种并发性引入了新的挑战，如数据竞争和死锁，需要通过同步机制如信号量、条件变量等来解决，以确保正确性。 在操作系统中，硬件提供的原子指令如test_and_set和swap是实现这些同步机制的基础，它们帮助构建出能够在多处理器环境中有效管理资源访问的低级原语。通过巧妙地利用这些原语，操作系统可以协调并发进程，确保进程互斥，维护数据的一致性，并提供高效的并发执行环境。