协作进程（cooperating process）不但影响系统中其它的进程，也受它们影响。协作进程之间可以直接共享一个逻辑地址空间（确切的说是代码和数据），也可以通过文件实现数据共享。前者通过轻量级进程或线程实现，我们在第5节讨论。对共享数据的并发访问可能会导致数据的不一致。在本章，我们要讨论各种确保共享逻辑地址空间的协作进程有序执行的机制，以此来维护数据的一致性。
7.1 背景知识
我们在第四章中讨论了由许多协作顺序进程（cooperating sequential process）组成的系统的模型，这些进程异步执行，并可能会共享数据。我们利用有限缓冲区来阐明这种模型，它代表操作系统。
让我们重新看一下4.4节在有限长度缓冲区问题中所描述的共享存储器方案。正如我们所指出的，在这个解决方案中最多允许同时有BUFFER_SIZE – 1个条目在缓冲区中。让我们修改这个算法以矫正这个缺陷。可以添加一个整形变量counter，初始化为0。每向缓冲区中添加一个新条目counter就加1，每移除一个就减1。生产者进程代码修改如下：
while (1) {
/* produce an item in nextProduced */
while (counter = = BUFFER_SIZE)
; /* do nothing */
buffer[in] = nextProduced;
in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
counter++;
}
消费者进程代码修改如下：
while (1) {
while (counter = = 0)
; /* do nothing */
nextConsumed = buffer[out];
out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
counter--;
/* consume the item in nextConsumed */
}
虽然生产者和消费者程序可以独立正确执行，但是当他们并发执行时就有可能出问题。假设当前counter的值为5，生产者和消费者进程同时执行“counter++”和“counter--”。那么在这两个语句执行之后，变量counter的值可能是4、5或6！唯一正确的结果是counter = = 5，如果生产者和消费者独立执行可以正确的产生这个结果。
我们可以说明为什么counter的值可能出错。以机器语言实现语句“counter++”可能如下（在一个典型的机器上）：
register1 = counter
register1 = register1 + 1
counter = register1
register1是一个CPU本地寄存器。类似的，语句“counter--”实现如下：
register2 = counter
register2 = register2 - 1
counter = register2
register2 是一个CPU本地寄存器。即使register1和register2可能是同一个物理寄存器（比如一个累加器），但是要注意，中断处理程序会保存并恢复这个寄存器的内容（2.1节）。
“counter++”和“counter--”并行执行等同于前述的低级语言语句以某些随机的顺序交叉执行（但是高级语言的执行顺序是保留的）。这是一种：
T0: producer execute register1 = counter { register1 = 5}
T1: producer execute register1 = register1 + 1 { register1 = 6}
T2: consumer execute register2 = counter { register2 = 5}
T3: consumer execute register2 = register2 - 1 { register2 = 4}
T4: producer execute counter = register1 {counter = 6}
T5: consumer execute counter = register2 {counter = 4}
我们得到了一个错误的结果“counter = = 4”，这指明有四个满缓冲区，而事实上有五个。如果我们颠倒语句T4和T5的顺序，那么我们得到“counter = = 6”。
之所以得到这个错误的结果是因为我们允许两个进程并行操作变量counter。像这样的情形，多个进程并行访问和操作同样的数据，其执行结果取决于具体的执行顺序，我们称之为竞争条件（race condition）。为了预防上述的竞争条件，我们要确保一次只有一个进程能够操作变量counter。为此，我们需要某些形式的进程同步。在操作系统中会频繁发生这样的情况，因为系统中的各个不同部分都要操作资源，而且我们不希望一处的变动会影响到另一处。本章的一个主要部分涉及到进程同步（process synchronization）和协调（coordination）。
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