简介
进程同步是一个操作系统级别的概念,是在多道程序的环境下，存在着不同的制约关系，为了协调这种互相制约的关系，实现资源共享和进程协作，从而避免进程之间的冲突，引入了进程同步。
临界资源
在操作系统中，进程是占有资源的最小单位（线程可以访问其所在进程内的所有资源，但线程本身并不占有资源或仅仅占有一点必须资源）。但对于某些资源来说，其在同一时间只能被一个进程所占用。这些一次只能被一个进程所占用的资源就是所谓的临界资源。典型的临界资源比如物理上的打印机，或是存在硬盘或内存中被多个进程所共享的一些变量和数据等(如果这类资源不被看成临界资源加以保护，那么很有可能造成丢数据的问题)。
对于临界资源的访问，必须是互诉进行。也就是当临界资源被占用时，另一个申请临界资源的进程会被阻塞，直到其所申请的临界资源被释放。而进程内访问临界资源的代码被成为临界区。
对于临界区的访问过程分为四个部分：
1.进入区:查看临界区是否可访问，如果可以访问，则转到步骤二，否则进程会被阻塞
2.临界区:在临界区做操作
3.退出区:清除临界区被占用的标志
4.剩余区：进程与临界区不相关部分的代码
进程间同步和互诉的概念
进程同步
进程同步也是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系来源于他们之间的合作。
比如说进程A需要从缓冲区读取进程B产生的信息，当缓冲区为空时，进程B因为读取不到信息而被阻塞。而当进程A产生信息放入缓冲区时，进程B才会被唤醒。概念如图1所示。
图1.进程之间的同步
用C#代码模拟进程之间的同步如代码1所示。
class ProcessSyn
{
private static Mutex mut = new Mutex();
static void Main()
{
Console.WriteLine("进程1执行完了进程2才能执行.......");
Thread Thread1 = new Thread(new ThreadStart(Proc1));
Thread Thread2 = new Thread(new ThreadStart(Proc2));
Thread1.Start();
Thread2.Start();
Console.ReadKey();
}
private static void Proc1()
{
mut.WaitOne();
Console.WriteLine("线程1执行操作....");
Thread.Sleep(3000);
mut.ReleaseMutex();//V操作
}
private static void Proc2()
{
mut.WaitOne();//P操作
Console.WriteLine("线程2执行操作....");
mut.WaitOne();
}
}
代码1.C#模拟进程之间的同步
运行结果如图2所示。
图2.运行结果
进程互斥
进程互斥是进程之间的间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。只有当使用临界资源的进程退出临界区后，这个进程才会解除阻塞状态。
比如进程B需要访问打印机，但此时进程A占有了打印机，进程B会被阻塞，直到进程A释放了打印机资源,进程B才可以继续执行。概念如图3所示。
图3.进程之间的互斥
用C#模拟进程之间的互斥，这里我启动了5个线程，但同一时间内只有一个线程能对临界资源进行访问。如代码2所示。
class ProcessMutex
{
private static Mutex mut = new Mutex();
private const int numThreads = 5;
static void Main()
{
for (int i = 0; i <= numThreads; i++)
{
Thread myThread = new Thread(new ThreadStart(UseResource));
myThread.Name = String.Format("线程{0}", i + 1);
myThread.Start();
}
Console.ReadKey();
}
//同步
private static void UseResource()
{
// 相当于P操作
mut.WaitOne();
/*下面代码是线程真正的工作*/
Console.WriteLine("{0}已经进入临界区",
Thread.CurrentThread.Name);
Random r = new Random();
int rNum = r.Next(2000);
Console.WriteLine("{0}执行操作，执行时间为{1}ms", Thread.CurrentThread.Name,rNum);
Thread.Sleep(rNum);
Console.WriteLine("{0}已经离开临界区\r\n",
Thread.CurrentThread.Name);
/*线程工作结束*/
// 相当于V操作
mut.ReleaseMutex();
}
//互斥
}
代码2.C#模拟进程之间的互斥
运行结果如图4所示。
图4.C#模拟进程互斥
实现临界区互斥的基本方法
硬件实现方法
通过硬件实现临界区最简单的办法就是关CPU的中断。从计算机原理我们知道，CPU进行进程切换是需要通过中断来进行。如果屏蔽了中断那么就可以保证当前进程顺利的将临界区代码执行完，从而实现了互斥。这个办法的步骤就是:屏蔽中断--执行临界区--开中断。但这样做并不好，这大大限制了处理器交替执行任务的能力。并且将关中断的权限交给用户代码，那么如果用户代码屏蔽了中断后不再开，那系统岂不是跪了？
还有硬件的指令实现方式，这个方式和接下来要说的信号量方式如出一辙。但是通过硬件来实现，这里就不细说了。
信号量实现方式
这也是我们比较熟悉P V操作。通过设置一个表示资源个数的信号量S，通过对信号量S的P和V操作来实现进程的的互斥。
P和V操作分别来自荷兰语Passeren和Vrijgeven，分别表示占有和释放。P V操作是操作系统的原语，意味着具有原子性。
P操作首先减少信号量，表示有一个进程将占用或等待资源，然后检测S是否小于0,如果小于0则阻塞，如果大于0则占有资源进行执行。
V操作是和P操作相反的操作，首先增加信号量，表示占用或等待资源的进程减少了1个。然后检测S是否小于0，如果小于0则唤醒等待使用S资源的其它进程。
前面我们C#模拟进程的同步和互斥其实算是信号量进行实现的。