同步互斥的基本概念

虽然我们经常把同步和互斥放在一起说，但是这两个词是两个概念。同步指的是进程间的执行需要按照某种先后顺序，即访问是有序的。互斥指的是对于某些共享资源的访问不能同时进行，同一时间只能有一定数量的进程进行。这两种情况基本构成了我们在多线程执行中遇到的各种问题。

与同步互斥相关的另一个概念是临界区。临界区指的是进程的一段代码，其特征要求了同一时间段只能有一个进程执行，否则就有可能出现问题。一般而言，进程处理临界区的思路是设计一个协议，不同的进程遵守这个相同的协议来进行临界区的协调。在进入临界区前，进程请求进入的许可，这段代码称为进入区；退出临界区时，进程应该通过协议告知别的进程自己已经使用完临界区，这段代码称为退出区；临界区其他的部分称为剩余区。我们本章解决的问题，就是在进入区和退出区为进程提供同步互斥的机制。

为了提供同步互斥机制，操作系统有多种实现方法，包括时钟中断管理，屏蔽使能中断，等待队列，信号量，管程等等。下面我们来分别看一看上面提到的部分机制：

• 时钟中断管理：在第一个lab中我们已经实现了时钟中断。通过时钟中断，操作系统可以提供基于时间节点的事件。通过时钟中断，操作系统可以提供任意长度的等待唤醒机制，由此可以给应用程序机会来实现更加复杂的自定义调度操作。

• 屏蔽使能中断：这部分主要是处理内核内的同步互斥问题。因为内核在执行的过程中可能会被外部的中断打断，我们实现的ucore也是不可抢占的系统，所以可以在操作系统进行某些需要同步互斥的操作的时候先禁用中断，等执行完之后再使能。这样保证了操作系统在执行临界区的时候不会被打断，也就实现了同步互斥。在ucore中经常可以看到下面这样的代码：

  ......
  local_intr_save(intr_flag);
  {
    临界区代码
  }
  local_intr_restore(intr_flag);
  ......

  这段代码就是使用屏蔽使能中断处理内核同步互斥问题的例子。

• 等待队列：等待队列是操作系统提供的一种事件机制。一些进程可能会在执行的过程中等待某些特定事件的发生，这个时候进程进入睡眠状态。操作系统维护一个等待队列，把这个进程放进他等待的事件的等待队列中。当对应的事件发生之后，操作系统就唤醒相应等待队列中的进程。这也是ucore内部实现信号量的机制。

接下来的两节，我们来仔细看一看信号量和管程的实现。