進(jìn)程的同步和互斥是操作系統(tǒng)中用于協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的重要概念，以下為結(jié)合圖片內(nèi)容的詳細(xì)介紹：

進(jìn)程同步

• 概念：并發(fā)性帶來(lái)了異步性，有時(shí)需要通過進(jìn)程同步解決這種異步問題。有的進(jìn)程之間需要相互配合地完成工作，各進(jìn)程的工作推進(jìn)需要遵循一定的先后順序，以確保系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性。
• 實(shí)現(xiàn)方式：
  • 信號(hào)量
    • 原理：信號(hào)量是一個(gè)整型變量，它的值只能由P操作（wait操作）和V操作（signal操作）原子性地改變。P操作和V操作是兩個(gè)不可分割的原語(yǔ)操作，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)量的操作。
    • 工作流程：當(dāng)進(jìn)程需要使用某一資源時(shí)，先執(zhí)行P操作。如果信號(hào)量的值大于0，說(shuō)明資源可用，P操作將信號(hào)量的值減1，進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行；如果信號(hào)量的值等于0，說(shuō)明資源已被占用，進(jìn)程會(huì)被阻塞，放入與該信號(hào)量相關(guān)的等待隊(duì)列中，直到其他進(jìn)程執(zhí)行V操作釋放資源。當(dāng)進(jìn)程使用完資源后，執(zhí)行V操作，將信號(hào)量的值加1。如果此時(shí)有進(jìn)程在等待該資源，系統(tǒng)會(huì)從等待隊(duì)列中喚醒一個(gè)進(jìn)程，使其能夠獲得資源并繼續(xù)執(zhí)行。
  • 管程
    • 原理：管程是一種抽象數(shù)據(jù)類型，它將共享資源的操作集中在一個(gè)模塊中，提供了一組過程來(lái)對(duì)共享資源進(jìn)行訪問和管理。管程內(nèi)包含了共享變量、對(duì)這些共享變量進(jìn)行操作的過程以及一個(gè)等待隊(duì)列。
    • 工作流程：進(jìn)程通過調(diào)用管程中的過程來(lái)訪問共享資源。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程調(diào)用管程的過程時(shí)，管程會(huì)自動(dòng)檢查是否有其他進(jìn)程正在訪問共享資源。如果沒有，該進(jìn)程可以進(jìn)入管程執(zhí)行相應(yīng)的操作；如果有其他進(jìn)程正在訪問，那么調(diào)用進(jìn)程會(huì)被阻塞，放入管程的等待隊(duì)列中，直到共享資源可用。管程保證了在同一時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程能夠訪問共享資源，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程之間的同步。

進(jìn)程互斥

• 概念：多個(gè)進(jìn)程在同時(shí)訪問臨界資源時(shí)，需要保證在任何時(shí)刻都只有一個(gè)進(jìn)程能夠進(jìn)入臨界區(qū)訪問臨界資源，其他進(jìn)程必須等待，直到該進(jìn)程離開臨界區(qū)。
• 組成部分：
  • 進(jìn)入?yún)^(qū)：檢查是否可進(jìn)入臨界區(qū)，若可進(jìn)入，需要“上鎖”，以阻止其他進(jìn)程進(jìn)入。
  • 臨界區(qū)：訪問臨界資源的那段代碼，是進(jìn)程中對(duì)臨界資源進(jìn)行操作的關(guān)鍵部分。
  • 退出區(qū)：負(fù)責(zé)“解鎖”，即當(dāng)進(jìn)程完成對(duì)臨界資源的訪問后，在此區(qū)域釋放鎖，允許其他進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)。
  • 剩余區(qū)：其余代碼部分，即進(jìn)程中除了進(jìn)入?yún)^(qū)、臨界區(qū)和退出區(qū)之外的代碼。
• 需要遵循的原則：
  • 空閑讓進(jìn)：當(dāng)臨界區(qū)空閑時(shí)，應(yīng)允許一個(gè)等待進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程立即進(jìn)入，以充分利用資源。
  • 忙則等待：如果臨界區(qū)正在被訪問，其他試圖訪問臨界區(qū)的進(jìn)程需要等待，不能強(qiáng)行進(jìn)入，確保互斥訪問。
  • 有限等待：進(jìn)程應(yīng)在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)入臨界區(qū)，保證不會(huì)因長(zhǎng)期等待而饑餓，即每個(gè)進(jìn)程都有機(jī)會(huì)在合理的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入臨界區(qū)。
  • 讓權(quán)等待：當(dāng)進(jìn)程不能進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，要釋放處理機(jī)，防止忙等，避免浪費(fèi)CPU資源，使其他進(jìn)程有機(jī)會(huì)執(zhí)行。
• 實(shí)現(xiàn)方式：
  • 硬件方法
    • 測(cè)試并設(shè)置指令（TSL）：許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供了特殊的硬件指令來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥。TSL指令可以在一條指令中完成對(duì)一個(gè)內(nèi)存單元（通常用作鎖變量）的測(cè)試和設(shè)置操作。例如，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程要進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，它會(huì)執(zhí)行TSL指令，該指令會(huì)檢查鎖變量的值。如果鎖變量為0，表示臨界區(qū)空閑，進(jìn)程可以進(jìn)入臨界區(qū)，并將鎖變量設(shè)置為1；如果鎖變量為1，表示臨界區(qū)已被占用，進(jìn)程則需要循環(huán)執(zhí)行TSL指令，不斷測(cè)試鎖變量的值，直到其變?yōu)?。
    • 交換指令（SWAP）：交換指令也可以用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥。它用于交換兩個(gè)內(nèi)存單元的值。進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)之前，先將一個(gè)表示鎖狀態(tài)的變量與一個(gè)初始值為0的變量進(jìn)行交換。如果交換后鎖狀態(tài)變量的值為0，說(shuō)明臨界區(qū)空閑，進(jìn)程可以進(jìn)入；否則，進(jìn)程需要等待一段時(shí)間后再次執(zhí)行交換指令進(jìn)行測(cè)試，直到鎖狀態(tài)變量的值為0。
  • 軟件方法
    • Peterson算法：Peterson算法是一種經(jīng)典的用于解決兩個(gè)進(jìn)程互斥問題的軟件方法。該算法使用了兩個(gè)標(biāo)志位flag[0]和flag[1]，分別表示兩個(gè)進(jìn)程是否想要進(jìn)入臨界區(qū)，以及一個(gè)變量turn來(lái)表示輪到哪個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)。當(dāng)進(jìn)程Pi想要進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，它先將flag[i]設(shè)置為true，表示自己想要進(jìn)入，然后將turn設(shè)置為j，表示愿意將進(jìn)入臨界區(qū)的機(jī)會(huì)讓給進(jìn)程Pj。接著，進(jìn)程Pi會(huì)檢查flag[j]和turn的值，如果flag[j]為true且turn為j，說(shuō)明進(jìn)程Pj也想要進(jìn)入臨界區(qū)且輪到它進(jìn)入，那么進(jìn)程Pi就會(huì)等待；否則，進(jìn)程Pi可以進(jìn)入臨界區(qū)。當(dāng)進(jìn)程Pi離開臨界區(qū)時(shí)，它將flag[i]設(shè)置為false，表示自己已經(jīng)離開臨界區(qū)，允許其他進(jìn)程進(jìn)入。
  • 信號(hào)量：用于進(jìn)程互斥時(shí)，信號(hào)量的初始值通常設(shè)為1。當(dāng)進(jìn)程要進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，執(zhí)行P操作。如果信號(hào)量的值為1，說(shuō)明臨界區(qū)空閑，P操作將信號(hào)量的值減為0，進(jìn)程可以進(jìn)入臨界區(qū)；如果信號(hào)量的值為0，說(shuō)明臨界區(qū)已被占用，進(jìn)程會(huì)被阻塞，直到其他進(jìn)程執(zhí)行V操作釋放臨界區(qū)。當(dāng)進(jìn)程離開臨界區(qū)時(shí)，執(zhí)行V操作，將信號(hào)量的值加1，以便其他進(jìn)程能夠進(jìn)入臨界區(qū)。

進(jìn)程同步和互斥是保證多進(jìn)程系統(tǒng)正確運(yùn)行的重要機(jī)制，它們通過不同的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)共享資源的有序訪問，避免了并發(fā)訪問帶來(lái)的各種問題，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的一致性。