王道操作系统笔记，视频链接：2.3.2.2 进程互斥的硬件实现方法

知识总览

1. 进程互斥的硬件实现方法：
   • 中断屏蔽方法
   • TestAndSet（TS指令/TSL指令）
   • Swap指令（XCHG指令）
2. 学习提示：
   • 理解各方法的原理
   • 了解各方法的优缺点

中断屏蔽方法

1. 利用“开/关中断指令”实现（与原语的实现思想相同，即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，也就不能发生进程切换，因此也不可能发生两个同时访问临界区的情况）
2. • 关中断后既不允许当前进程被中断，也必然不会发生进程切换。
   • 直到当前进程访问完临界区，再执行开中断指令，才有可能有别的进程上处理机并访问临界区。
   • 示例：

关中断；
临界区；
开中断；

3. 优缺点：
   • 优点：简单、高效
   • 缺点：
     • 不适用于多处理机；
       • 比如A处理机的关中断影响不了B处理机，
       • B处理机上的进程仍然可以正常切换，
       • 所以仍然可能发生两个处理机上的两个进程同时访问临界区的情况
     • 只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程
       • 因为开/关中断指令只能运行在内核态，
       • 这组指令如果能让用户随意使用会很危险

TestAndSet指令

1. 简称TS指令，也有地方称为 TestAndSetLock 指令，或TSL指令。
2. TSL 指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。
3. C语言描述的逻辑：
   • 注意，这些逻辑实际由硬件完成，不可被中断，不是用代码实现的，这里只是逻辑演示

//布尔型共享变量 lock 表示当前临界区是否被加锁
//true 表示已加锁，false 表示未加锁
bool TestAndSet (bool *lock){
    bool old;
    old = *lock;        //old用来存放lock原来的值
    *lock = true;       //无论之前是否已加锁，都将lock设为true
    return old;         //返回lock原来的值
    // 实际硬件情况是把lock的值放到某个物理寄存器中，
    // 再把lock的值覆盖为true。
}

//以下是使用 TSL 指令实现互斥的算法逻辑
while (TestAndSet (&lock)); //“上锁”并“检查”
临界区代码段...
lock = false;              //“解锁”
剩余区代码段...

4. 流程解析：
   • 如果刚开始的lock是false，则TSL返回的old值为false，while循环条件不满足，直接跳过循环，进入临界区。
   • 如果刚开始的lock是true，则执行TLS后old返回的值为true，while循环条件满足，会一直循环，直到当前访问临界区的进程再退出区进行“解锁”。
   • 相比软件实现方法，TSL指令把“上锁”和“检查”操作用硬件的方式变成了一气呵成的原子操作。
5. 优缺点：
   • 优点：
     • 实现简单，无需像软件实现方式那样严格检查是否会有逻辑漏洞；
     • 适用于多处理机环境（涉及到总线的特性，有兴趣可以查）
       • （这部分来自deepseek）
       • PS1：因为TSL指令在多处理机环境下需同时执行“读取旧值”和“写入新值”两个步骤，硬件必须通过锁定内存总线来独占访问权，防止多个CPU同时读写同一内存地址。
       • PS2：如果没有总线锁特性，多个CPU可能会同时读到锁的旧值（都认为未加锁），导致它们同时进入临界区，破坏互斥性并引发严重的数据竞争和逻辑错误。
   • 缺点：
     • **不满足“让权等待”**原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令，从而导致“忙等”。

Swap指令

1. 有的地方也叫Exchange指令，或简称XCHG指令。
2. Swap指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。
3. C语言描述的逻辑：
   • 注意，这些逻辑实际由硬件完成，不可被中断，不是用代码实现的，这里只是逻辑演示

// Swap 指令的作用是交换两个变量的值
bool Swap (bool *a, bool *b) {
    bool temp;
    temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

// 以下是用 Swap 指令实现互斥的算法逻辑
// lock 表示当前临界区是否被加锁
bool old = true;
while (old == true)
    Swap (&lock, &old);
// 临界区代码段...
lock = false;
// 剩余区代码段...

4. 逻辑上来看Swap和TSL并无太大区别，都是先记录下此时临界区是否已经被上锁（记录再old变量上），再将上锁标记lock设置为true，最后检查old，如果old为false则说明之前没有别的进程对临界区上锁，则可跳出循环，进入临界区。
   • PS：如果没太理解的话，可以分别假设lock为true和false的情况走一遍代码逻辑就清楚了。
5. 优缺点：（和前面的TSL指令相同）
   • 优点：
     • 实现简单，无需像软件实现方式那样严格检查是否会有逻辑漏洞；
     • 适用于多处理机环境
   • 缺点：
     • **不满足“让权等待”**原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行Swap指令，从而导致“忙等”。

知识回顾与重要考点