同步中的互斥

什么是互斥？

互斥意味着在任何时间只有一个进程可以处于临界区。如果其他进程需要在其临界区执行，则必须等待直到临界区空闲。

当多个进程想要访问或更新共享资源，即进入其临界区时，如果它们同时执行，则可能发生竞争条件，从而导致不一致的结果。为了避免竞争条件，进程同步技术应满足互斥标准。

解释

进程通常需要执行诸如访问或更新共享资源（如公共变量、索引表或共享文件）之类的操作。当进程这样做时，据说它正在其临界区执行。在临界区，如果正在执行的进程被另一个以不同方式更新共享资源的进程中断，则会发生竞争条件，并且共享资源的值将变得无效。

同步机制是确保进程以某种方式执行的技术，以便系统状态和公共数据结构始终保持一致。为了避免竞争条件，同步技术确保临界区中操作的指令以单个单元（即原子方式）执行。原子性通过互斥来保证，通过互斥，在特定时间只有一个进程可以在临界区执行。

互斥的先决条件

• 在任何特定时间，只有一个进程可以进入其临界区。
• 进程只有在其临界区执行有限的时间才被允许。
• 任何进程（不在其临界区）都不能阻止另一个进程进入其临界区。
• 任何进程都不应无限期地等待进入其临界区。

同步中互斥的技术

互斥可以通过多种策略实现，例如以下策略：

锁 / 互斥量

称为锁或互斥量（mutual exclusion 的简称）的同步原语用于维护共享资源的值或状态的一致性。锁有两种可能的状态：锁定和解锁。操作系统或过程必须在能够使用共享资源之前获得锁。如果锁已被另一个线程锁定，则请求的线程将被阻止，直到锁被释放。

信号量

信号量是一种高级同步工具。它使用两个原子操作，“wait()”和“signal()”。wait() 指令用于入口段以获取对临界区的访问权限，而 signal() 操作用于释放对共享资源的控制。信号量可以分为两种类型：二进制信号量和计数信号量。在计数信号量中，当线程需要进入临界区时，信号量跟踪一个计数器并将其递减。如果计数器递减，则正在运行的线程将被阻塞，这表示临界区已在使用中。

原子操作

在不使用锁或信号量的情况下，某些处理器提供可以用来保证互斥的原子操作。原子操作对于修改共享参数很有用，因为它们是不可中断的，并且不能被阻止。例如，仅当变量的值与预期值一致时，才能使用原子比较并交换 (CAS) 过程更改变量的属性。

基于软件的技术

互斥可以使用各种基于软件的算法和策略来实现，包括 Peterson 算法、Dekker 算法或 Lamport 面包店算法。这些技术通过结合标志、标志和忙等待来保证一次只有一个线程能够使用关键组件。

同步中互斥的实际实例

一些在现实生活中可能发生的同步中互斥的实例：

打印机后台打印

在具有多个用户的操作系统中，多个进程或用户可能同时请求打印文档。互斥用于确保一次只有一个进程可以访问打印机。锁或信号量用于提供对打印机的受限访问、避免冲突并确保打印作业按正确的顺序处理。

银行账户交易

在电子银行系统中，许多人可能同时尝试访问和修改其财务账户。需要互斥以避免诸如超载或账户不一致等问题。锁或其他同步原语允许一次只有一个事务访问特定银行账户，从而维护信息的机密性和避免冲突。

交通信号控制

人行横道处的交通信号必须协调以安全地管理车辆的通行。使用互斥来避免来自竞争通信的多个信号同时显示。互斥规则允许一次只显示一个信号，从而促进高效和有序的交通流程。

共享数据库中的资源分配

在数据库系统中，多个进程或事务并发访问共享数据时，互斥对于维护数据一致性至关重要。例如，互斥机制确保一次只有一个事务能够修改相同的数据，从而在两个单独的操作尝试同时修改相同数据时，防止冲突并维护数据完整性。

在实时系统中访问共享内存

在实时系统中，操作或过程需要共享内存来促进交互或协作时，需要互斥。使用锁或信号量等同步基本功能来保护重要的共享内存区域，确保一次只有一个任务能够使用和修改共享内存区域。