操作系统（8）第二章- 进程同步与互斥
进程同步与互斥的基本概念
一、前提：并发与共享引发的问题
多道程序环境下，进程并发执行，且会访问共享资源（硬件设备、全局变量、缓冲区、文件等）。 多个进程同时读写共享数据时，执行结果不可预期，这种现象称为竞态条件（Race Condition）。 为规避竞态条件、保证数据一致性与执行逻辑正确，引入进程同步与互斥机制。
二、临界区（Critical Section）
1. 定义
进程中访问共享资源的代码片段，是引发竞态条件的根源。 其余不访问共享资源的代码，称为剩余区。
2. 临界区使用四大准则（必考）
- 空闲让进：临界区无人使用时，允许请求进入的进程立即进入。
- 忙则等待：临界区已被占用，其他请求进程必须等待。
- 有限等待：等待的进程不能无限阻塞，在有限时间内一定能进入临界区（避免饥饿）。
- 让权等待：进程等待时，主动放弃 CPU，不忙等（提升 CPU 利用率）。
补充：忙等（忙等待）：进程循环检测临界区状态，一直占用 CPU。
三、进程互斥（Mutual Exclusion）
1. 定义
多个竞争关系的进程，同一时刻最多只能有一个进程进入临界区访问共享资源；一个进程在临界区时，其他进程必须等待。
2. 核心特征
- 关系：进程间相互竞争共享资源，无固定执行顺序。
- 目的：保证共享资源的独占访问，杜绝同时操作。
- 典型场景：独占设备（打印机）、全局变量、账户余额修改。
3. 通俗理解
排他使用，你用我就不能用。
四、进程同步（Synchronization）
1. 定义
多个协作关系的进程，按照预先规定的先后次序执行；一个进程的执行依赖另一个进程的运行结果，形成执行顺序约束。
2. 核心特征
- 关系：进程间相互协作，存在逻辑依赖。
- 目的：协调执行顺序，保证业务逻辑正确。
- 典型场景：生产者 - 消费者、数据先写入再读取、流水线任务。
3. 通俗理解
有序执行，你做完，我才能做。
五、互斥与同步的区别与联系
1. 核心区别
| 对比项 | 进程互斥 | 进程同步 |
|---|---|---|
| 进程关系 | 竞争关系，互不依赖 | 协作关系，存在执行依赖 |
| 核心要求 | 禁止同时进入临界区 | 保证固定先后执行顺序 |
| 访问规则 | 随机竞争，谁先抢到谁执行 | 顺序固定，强制等待前驱进程 |
2. 联系
- 二者都是为了解决并发进程访问共享资源的问题，保障执行正确性。
- 同步场景中通常包含互斥：例如生产者 - 消费者，既要控制生产 / 消费顺序（同步），又要独占访问缓冲区（互斥）。
- 二者可使用同一套工具实现（信号量、锁等）。
六、两类典型制约关系
从逻辑上划分，并发进程的制约分为两种，对应同步与互斥：
- 间接制约（源于资源共享）→ 对应互斥多个进程争抢同一独占资源，相互制约。
- 直接制约（源于进程合作）→ 对应同步进程间有数据 / 任务传递，一方执行依赖另一方的结果。
Linux 下的同步与互斥
一、Linux 下的同步互斥 = 3 层结构
从操作系统原理 → 内核实现 → 你写代码用的 API
上层：你用的接口（mutex、sem、rwlock、futex） 中层：内核同步原语（信号量、自旋锁、互斥锁、完成量） 下层：硬件原子指令（CAS、atomic、lock 指令）二、Linux 同步互斥的核心思想
1. 互斥（Mutual Exclusion）
保护共享资源，同一时间只能有一个执行单元访问。
Linux 实现方式：
mutex互斥锁spinlock自旋锁atomic原子操作
本质：把多线程并行 → 变成临界区串行。
2. 同步（Synchronization）
让多个进程 / 线程按顺序执行，你做完我再做。
Linux 实现方式：
- 信号量（semaphore）
- 条件变量（pthread_cond_t）
- 完成量（completion）
- 等待队列（wait queue）
本质：控制执行顺序，解决生产者 - 消费者模型。
三、Linux 最核心的 4 种同步机制（操作系统级）
1）互斥锁（mutex）→ 最常用
Linux 应用层 & 内核层最标准的互斥工具。
原理（操作系统角度）
- 底层基于futex（快速用户态互斥锁）
- 无竞争时：用户态完成，不进内核
- 有竞争时：阻塞线程，不占 CPU（让权等待）
pthread_mutex_t lock; pthread_mutex_lock(&lock); // 进入临界区 临界区代码 pthread_mutex_unlock(&lock); // 退出临界区操作系统特点
- 睡眠等待，不浪费 CPU
- 临界区可以很长
- 应用层开发 90% 用这个
2）信号量（semaphore）→ 同步 + 互斥全能
原理
- 计数器 + 等待队列
- P 操作（down）：申请资源，计数器 - 1
- V 操作（up）：释放资源，计数器 + 1
两种用法
- 互斥：sem = 1
- 同步：sem = 0 / 资源数
Linux API
sem_t sem; sem_wait(&sem); // P sem_post(&sem); // V操作系统定位
信号量 = 通用同步互斥工具互斥锁是信号量的特例（=1）。
3）自旋锁（spinlock）→ 内核专用
原理
- 加锁失败时while 循环忙等待
- 不睡眠，不切换进程
适用场景
- 临界区非常短
- 中断上下文
- 多核 SMP 环境
特点（操作系统重点）
- 不睡眠、不调度、不释放 CPU
- 不能在自旋锁里调用可能阻塞的函数
4）条件变量（condition variable）→ 同步专用
Linux 下实现 “等待 - 唤醒” 最标准工具。
原理
- 线程可以主动等待某个条件成立
- 另一个线程完成后唤醒它
典型模型
- 生产者 - 消费者
- 缓冲区空 / 满等待
pthread_mutex_lock(&lock); while(条件不满足) pthread_cond_wait(&cond, &lock); // 等待并释放锁 // 操作共享资源 pthread_mutex_unlock(&lock);