浅析操作系统同步原语

概述

原文链接：《浅谈操作系统同步原语》http://www.ytbean.com/posts/syncprimitive/

日常开发中，我们经常会碰到并发编程，我们使用的大多数编程语言，基本上都为我们提供了并发编程的 API，例如 Java 中的 Thread，Golang 中的 Goroutine。

然而编程语言的 API 仅仅是提供了”糖“，想要深入了解并发的原理，仅仅停留在 API 层面是不够的，还需要了解操作系统底层的同步原理。一般的操作系统都会提供基本的同步原语，高级语言在底层利用这些同步原语，向开发者提供并发编程的 API。

并发编程往往避不开一个问题，那就是如何让多个运行中的线程好好相处，在发生资源竞争的时候，按照程序员设想的方式运行。

竞态条件

并发编程的话题往往都是从竞态条件（Race Condition）这个话题开始的。

在一般的操作系统中，不同的进程可能会分享一块公共的存储区域，例如内存或者是硬盘上的文件，这些进程都允许在这些区域上进行读写。

操作系统有一些职责，来协调这些使用公共区域的进程之间以正确的方式进行想要的操作；这些进程之间需要通信，需要互相沟通，有商有量，才能保证一个进程的动作不会影响到另外一个进程正常的动作，进而导致进程运行后得不到期望的结果。

在操作系统概念中，通常用 IPC（Inter Process Communication，即进程间通信）这个名词来代表多个进程之间的通信。

为了解释什么是竞态条件（race condition），我们引入一个简单的例子来说明：

一个文件中保存了一个数字 n，进程 A 和进程 B 都想要去读取这个文件的数字，并把这个数字加 1 后，保存回文件。

假设 n 的初始值是 0，在我们理想的情况下，进程 A 和进程 B 运行后，文件中 n 的值应该为 2，但实际上可能会发生 n 的值为 1。

我们可以考量一下，每个进程做这件事时，需要经过什么步骤：

1. 读取文件里 n 的值
2. 令 n = n + 1
3. 把新的 n 值保存回文件

在进一步解释竞态条件之前，必须先回顾操作系统概念中的几个知识点：

1. 进程是可以并发运行的，即使只有一个 CPU 的时候）
2. 操作系统的时钟中断会引起进程运行的重新调度，
3. 除了时钟中断，来自其它设备的中断也会引起进程运行的重新调度

假设进程 A 在运行完步骤 1 和 2，但还没开始运行步骤 3 时，发生了一个时钟中断，这个时候操作系统通过调度，让进程 B 开始运行，进程 B 运行步骤 1 时，发现 n 的值为 0，于是它运行步骤 2 和 3，最终会把 n = 1 保存到文件中。之后进程 A 继续运行时，由于它并不知道在它运行步骤 3 之前，进程 B 已经修改了文件里的值，所以进程 A 也会把 n = 1 写回到文件中。这就是问题所在，进程 A 在运行的过程中，会有别的进程去操作它所操作的数据。

唯一能让 n = 2 的方法，只能期望进程 A 和进程 B 按顺序分别完整地运行完所有步骤。因此我们把竞态条件进行如下定义：

两个或者多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的准确时序，称为竞态条件。

在上述的文字中，我们使用进程作为对象来讨论竞态条件，实际上对于线程也同样适用，这里的线程包含但不限于内核线程、用户线程。因为在操作系统中，进程其实是依靠线程来运行程序的。更甚至，在 Java 语言的线程安全中，竞态条件这个概念也同样适用。（可以参考《Java 并发编程实战》第二章）

互斥与临界区

如何避免 race condition，我们需要以某种手段，确保当一个进程在使用一个共享变量或者文件时，其它的进程不能做同样的操作，换言之，我们需要“互斥”。

回顾上述例子，我们可以把步骤 1 - 3 这段程序片段定义为临界区。

临界区意味着这个区域是敏感的，因为一旦进程运行到这个区域，那么意味着会对公共数据区域或者文件进行操作，也意味着有可能有其它进程也正运行到了临界区。如果能够采用适当的方式，使得这两个进程不会同时处于临界区，那么就能避免竞态条件。

也就是说，我们需要想想怎么样做到“互斥”。

如何互斥

互斥的本质就是阻止多个进程同时进入临界区。

屏蔽中断

之前提到的例子中，进程 B 之所以能够进入临界区，是因为进程 A 在临界区中受到了中断。

如果我们让进程 A 在进入临界区后，立即对所有中断进行屏蔽，离开临界区后，才响应中断，那么即使发生中断，那么 CPU 也不会切换到其它进程，因此此时进程 A 可以放心地修改文件内容，不用担心其它的进程会干扰它的工作。

然而，这个设想是美好，实际上它并不可行。

一方面，如果有多个CPU，那么进程 A 无法对其它 CPU 屏蔽中断，它只能屏蔽正在调度它的 CPU，因此由其它 CPU 调度的进程，依然可以进入临界区；

另一方面，关于权力的问题，是否可以把屏蔽中断的权力交给用户进程？如果这个进程屏蔽中断后再也不响应中断了， 那么一个进程有可能挂住整个操作系统。

锁变量

也许可以通过设置一个锁标志位，将其初始值设置为 0 ，当一个进程想进入临界区时，先检查锁的值是否为 0，如果为 0，则设置为 1，然后进入临界区，退出临界区后把锁的值改为0；

若检查时锁的值已经为1，那么代表其他进程已经在临界区中了，于是进程进行循环等待，并不断检测锁的值，直到它变为0。

但这种方式也存在着竞态条件，原因是，当一个进程读出锁的值为0时，在它将其值设置为1之前，另一个进程被调度起来，它也读到锁的值为0，这样就出现了两个进程同时都在临界区的情况。

严格轮换法

锁变量之所以出问题，其实是因为将锁变量由0改为1这个动作，是由想要获取锁的进程去执行的。如果我们把这个动作改为由已经获得锁的进程去执行，那么就不存在竞态条件了。

先设置一个变量 turn，代表当前允许谁获得锁，假设有两个进程，进程 A 的逻辑如下所示：

        while (turn != 0){// 如果还没轮到自己获取锁，则进入循环等待
        }
        do_critical_region();// 执行临界区的程序
        turn = 1;// 由获得锁的一方将锁变量修改为其它值，允许其它进程获得锁
        do_non_critical_region();// 执行非临界区的程序

进程 B 的逻辑如下所示：

        while (turn != 1) {// 如果还没轮到自己获取锁，则进入循环等待
        }
        do_critical_region();// 执行临界区的程序
        turn = 0;// 由获得锁的一方将锁变量修改为其它值，允许其它进程获得锁
        do_non_critical_region();// 执行非临界区的程序

但这里需要考虑到一个事情，假设进程 A 的 do_non_critical_region() 需要执行很长时间，即进程 A 的非临界区的逻辑需要执行较长时间，而进程 B 的非临界区的逻辑很快就执行完，显然，进程 A 进入临界区的频率会比进程 B 小一点。

理想的情况下，进程 B 应该多进入临界区几次。但是由于进程 B 在执行非临界区逻辑前会把 turn 设置为 0，等它很快地把非临界区的逻辑执行完后，回来检查 turn 的值时，发现 turn 的值一直都不是 1，turn 的值需要进程 A 把它设置为 1，而进程 A 此时却正在进行着漫长的非临界区逻辑代码，所以导致进程 B 无法进入临界区。

这就说明，在一个进程比另一个进程慢很多的情况下，严格轮换法并不是一个好办法。

Peterson 算法

严格轮换法的问题就出在严格两个字上。

多个进程之间是轮流进入临界区的，根本原因是想要获得锁的进程需要依赖其它进程对于锁变量的修改，而其它进程都要先经过非临界区逻辑的执行才会去修改锁变量。

严格轮换法中的 turn 变量不仅用来表示当前该轮到谁获取锁，而且它的值未改变之前，都意味着它依然阻止了其它进程进入临界区，恰恰好，一个进程总是要经过非临界区的逻辑后才会去改变turn的值。

因此，我们可以用两个变量来表示，一个变量表示当前应该轮到谁获得锁，另一个变量表示当前进程已经离开了临界区，这种方法实际上叫做 Peterson 算法，是由荷兰数学家 T.Dekker 提出来的。

    static final int N = 2;
    int turn = 0;
    boolean[] interested = new boolean[N];

    void enter_region(int process) {
        int other = 1 - process;
        interested[process] = true;
        turn = process;
        while(turn == process && !interested[other]) {
        }
    }

    void exit_region(int process) {
        interested[process] = false;
    }

进程在需要进入临界区时，先调用 enter_region，离开临界区后，调用 exit_region。

Peterson 算法使得进程在离开临界区后，立马消除了自己对于临界区的“兴趣”，因此其它进程完全可以根据 turn 的值，来判断自己是否可以合法进入临界区。

TSL 指令

回顾一下我们之前提到的“锁变量”这种方法，它的一个致命的缺点是对状态变量进行改变的时候，如从 0 改为 1 或者从 1 改为 0 时，是可以被中断打断的，因此存在竞态条件。

之后我们在锁变量的基础上，提出如果锁变量的修改不是由想要获取进入临界区的进程来修改，而是由已经进入临界区后想要离开临界区的进程来修改，就可以避免竞态条件，继而引发出严格轮换法，以及从严格轮换法基础上改进的 Peterson 算法。

这些方法都是从软件的方式去考虑的。实际上，可以在硬件 CPU 的支持下，保证锁变量的改变不被打断，使锁变量成为一种很好的解决进程互斥的方法。

目前大多数的计算机的 CPU，都支持 TSL 指令，其全称为 Test and Set Lock，它将一个内存的变量（字）读取寄存器 RX 中，然后再该内存地址上存一个非零值，读取操作和写入操作从硬件层面上保证是不可打断的，也就是说是原子性的。

它采用的方式是在执行 TSL 指令时锁住内存总线，禁止其它 CPU 在 TSL 指令结束之前访问内存。这也是我们常说的 CAS （Compare And Set)。

当需要把锁变量从 0 改为 1 时，先把内存的值复制到寄存器，并将内存的值设置为 1，然后检查寄存器的值是否为 0，如果为 0，则操作成功，如果非 0 ，则重复检测，知道寄存器的值变为 0，如果寄存器的值变为 0 ，意味着另一个进程离开了临界区。进程离开临界区时，需要把内存中该变量的值设置为 0。

等待临界区

忙等待

上述提到的 Peterson 算法，以及 TSL 方法，实际上它们都有一个特点，那就是在等待进入临界区的时候，它们采用的是忙等待的方式，我们也常常称之为自旋。它的缺点是浪费 CPU 的时间片，并且会导致优先级反转的问题。

考虑一台计算机有两个进程， H 优先级较高，L 优先级较低。调度规则规定，只要 H 处于就绪状态，就可以运行。在某一时刻，L 处于临界区内，此时 H 处于就绪态，准备运行。但 H 需要进行忙等待，而 L 由于优先级低，没法得到调度，因此也无法离开临界区，所以 H 将会永远忙等待，而 L 总无法离开临界区。这种情况称之为优先级反转问题（priority inversion problem）

阻塞与唤醒

操作系统提供了一些原语，sleep 和 wakeup。

内核提供给核外调用的过程或者函数成为原语（primitive），原语在执行过程中不允许中断。

sleep 是一个将调用进程阻塞的系统调用，直到另外一个进程调用 wakeup 方法，将被阻塞的进程作为参数，将其唤醒。阻塞与忙等待最大的区别在于，进程被阻塞后CPU将不会分配时间片给它，而忙等待则是一直在空转，消耗 CPU 的时间片。

信号量

首先需要明白的一点是，信号量的出现是为了解决什么问题。

由于一个进程的阻塞和唤醒是在不同的进程中造成的，比如说进程 A 调用了 sleep() 会进入阻塞，而进程 B 调用 wakeup（A）会把进程 A 唤醒，因为是在不同的进程中进行的，所以也存在着被中断的问题。

假如进程 A 根据逻辑，需要调用 sleep() 进入阻塞状态，然而，就在它调用 sleep 方法之前，由于时钟中断，进程 B 开始运行了，根据逻辑，它调用了 wakeup() 方法唤醒进程 A，可是由于进程 A 还未进入阻塞状态，因此这个 wakeup 信号就丢失了，等待进程 A 从之前中断的位置开始继续运行时并进入阻塞后，可能再也没有进程去唤醒它了。

因此，进程的阻塞和唤醒，应该需要额外引进一个变量来记录，这个变量记录了唤醒的次数，每次被唤醒，变量的值加1。有了这个变量，即使wakeup操作先于sleep操作，但wakeup操作会被记录到变量中，当进程进行sleep时，因为已经有其它进程唤醒过了，此时认为这个进程不需要进入阻塞状态。

这个变量，在操作系统概念中，则被称为信号量（semaphore），由 Dijkstra 在 1965 年提出的一种方法。

对信号量有两种操作， down 和 up。

down 操作实际上对应着 sleep，它会先检测信号量的值是否大于0，若大于0，则减1，进程此时无须阻塞，相当于消耗掉了一次 wakeup；若信号量为0，进程则会进入阻塞状态。

而 up 操作对应着 wakeup，进行 up 操作后，如果发现有进程阻塞在这个信号量上，那么系统会选择其中一个进程将其唤醒，此时信号量的值不需要变化，但被阻塞的进程已经少了一个；如果 up 操作时没有进程阻塞在信号量上，那么它会将信号量的值加1。

有些地方会把 down 和 up 操作称之为 PV 操作，这是因为在 Dijkstra 的论文中，使用的是 P 和 V 分别来代表 down 和 up。

信号量的 down 和 up 操作，是操作系统支持的原语，它们是具有原子性的操作，不会出现被中断的情况。

互斥量

互斥量（mutex）其实是信号量的一种特例，它的值只有 0 和 1，当我们不需要用到信号量的计数能力时，我们可以使用互斥量，实际上也意味着临界区值同一时间只允许一个进程进入，而信号量是允许多个进程同时进入临界区的。