操作系统进程同步：硬件解决临界段问题

"本文主要介绍了实现临界段问题的硬件方法，特别是在操作系统进程同步中的应用。通过对并发执行、进程同步的基础概念以及Fork和Join结构的解析，来阐述如何保证多进程安全有效地共享资源。" 在操作系统中，进程同步是确保多个并发执行的进程能够正确协调其操作的关键机制。临界段问题是进程同步中的一个重要问题，它涉及到当多个进程访问共享资源时，如何确保任何时候只有一个进程在临界区执行，以防止数据不一致和竞争条件。 1. **硬件方法实现临界段** - **屏蔽中断方法**：这是一种简单的硬件支持方法，通过在进入临界段前禁用中断，然后在退出临界段后恢复中断。例如，在进程P1和P2的示例中，`disableInterrupt()` 和 `enableInterrupt()` 指令分别用于关闭和开启中断。这样可以避免在执行关键操作（如修改Balance变量）时被其他中断处理程序打断，从而确保了临界段的互斥执行。 2. **并发编程基础** - **并发组件**：在程序中，可能存在可并发执行的代码段。例如，从不同设备读取数据并进行计算的操作可以并发执行。 - **优先图**：优先图是一种描述并发程序中各组件之间优先关系的工具，用于确定哪些语句可以并发执行而不影响结果的正确性。 - **并发编程模型**：如例1和例2所示，使用并发编程结构如`Parbegin`和`Parend`可以表示并发执行的语句块。 3. **并发执行的条件** - **并发执行的正确性条件**：语句S1和S2可以并发执行，必须满足三个条件：(1) S1的读操作不涉及S2的写操作，即`R(S1)∩W(S2)={}`；(2) S1的写操作不涉及S2的读操作，即`W(S1)∩R(S2)={}`；(3) S1和S2不同时写入同一变量，即`W(S1)∩W(S2)={}`。 4. **Fork和Join结构** - **Fork指令**：创建两个并发执行的部分，其中一部分从指定的标号开始，另一部分从Fork指令后开始。 - **Join指令**：Join指令用来合并两个并发活动，确保它们在特定位置上同步。在Join之前执行完的进程会等待，直到所有并发活动都到达Join点，然后程序继续顺序执行。 5. **动态合并** - Fork和Join结构允许动态地控制并发执行，以适应程序的复杂性和需求变化。这种结构在多核处理器和并行计算中特别有用，因为它可以充分利用计算资源，提高程序的执行效率。 操作系统通过硬件支持和特定的编程结构，如中断屏蔽和Fork/Join，来解决临界段问题，确保进程间的同步和资源的正确共享，从而保证并发执行的正确性和效率。在设计和实现并发系统时，理解这些基础概念和技术至关重要。