2.3_3 进程互斥的硬件实现办法

1.中断屏蔽方法

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）

• 优点：简单、高效
• 缺点：不适用于多处理机;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)

2.TestAndSet指令

简称TS指令,也有地方称为 TestAndSetLock 指令，或TSL指令

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。以下是用C语言描述的逻辑：

//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设计为true
    return old;  //返回lock原来的值
}

//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...

若刚开始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。若刚开始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在退出区进行“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。

• 优点：实现简单，无需像软件实现方法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TSL指令，从而导致“忙等”

3.Swap指令

有的地方也叫Exchange指令，或简称XCHG指令。

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。以下是用C语言描述的逻辑：

//Swap 指令的作用是交换两个变量的值
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...

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(记录在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。

优点：实现简单，无需像软件实现方法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TSL指令，从
而导致“忙等”。

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知识回顾与重要考点