竞争条件与临界区竞争条件临界区
竞争条件
在某些操作系统中，协作进程可能共享可互相读写的共享存储区。 此共享存储可以位于内存中，也可以位于内核数据结构中，还可以是共享文件。 这里的共享存储器区域的位置，不影响通信的本质和伴随的问题。 为了理解实际的进程间通信是如何工作的，请考虑一个简单而一般的例子。 是假脱机打印机。 如果进程需要打印文件，则文件名将放在特殊的假脱机目录“假脱机目录”下。 另一个进程(打印机守护进程)定期检查是否存在需要打印的文件，如果存在，则打印，然后从目录下删除文件名
假设假脱机目录中有许多槽位，并且每个槽位都包含文件名，编号顺序为0、1、2、 假设有两个共享变量out指向下一个要打印的文件： in，指向目录中的下一个空闲插槽。 这两个变量可以保存在所有进程都可以访问的文件中。 此文件的长度为两个字符。 在某个时间点，0号到3号插槽是空的，其中的文件已经打印完毕。 4号到6号插槽被占用。 其中排列着要打印的文件名。 几乎在同一时间，进程a和进程b决定对文件进行排队以进行打印。 图中显示了这种情况
可能出现以下情况： 过程a读取in的值为7，并将7存储在一个局部变量next_free_slot中。 此时发生时钟中断，CPU判断进程a已经运行了足够长的时间，决定切换到进程b。 过程b也读取in，同样得到值7，在b的局部变量next_free_slot中存在7。 此时，这两个进程都认为下一个可用的时隙位是7
当前，进程b继续执行，文件名存在于槽位7中，in的值更新为8。 然后，离开，继续其他操作
最后，进程a将从上次中断的地方再次运行。 因为它检查变量next_free_slot，发现其值为7，所以将打印文件名存储在第七个插槽中，并且进程b重写其中存在的文件名。 然后将next_free_slot加1，当值变为8时，将8存储在in中。 此时，由于假脱机目录内部一致，打印机守护进程找不到错误，但进程b无法获得打印输出。 这种情况称为竞争条件(race condition )，因为两个或多个进程读写某些共享数据，最终结果取决于进程运行的准确时间。 调试有竞争条件的程序是令人头痛的事情。 大多数测试的结果都很好，但会出现极少数无法解释的奇怪现象
临界区如何避开竞争条件？ 实际上，如果涉及内存共享、文件共享、资源共享等，就会发生上述错误。 要避免出现这种错误，重要的是找到一种防止多个进程同时读写共享数据的方法。 这意味着，当一个进程使用共享变量或文件时，需要采取某种措施阻止其他进程执行相同的操作的互斥(mutual exclusion )。 上述问题的核心是在进程a使用共享变量还没有结束之前，进程b就使用它。 选择合适的原语以实现互斥是任何操作系统的主要设计内容之一
避免竞争条件的问题也可以用抽象的方法来描述。 在某个过程的一部分时间内进行内部计算，或者进行不引起其他竞争条件的操作。 在某些情况下，进程可能需要访问共享内存和共享文件，或者执行可能导致冲突的其他操作。 用于访问共享存储器的程序的片段被称为临界区(critical region )或临界区(critical section )。 如果能妥善安排，使两个进程不能同时处于临界区域，就可以避免竞争条件
需要满足几个条件：
两个进程不能同时位于其临界区域。即使做出与CPU的速度和数量不对应的假设，在临界区域外运行的进程也不能阻塞其他进程。 不要等待进程无限期进入临界区域。 抽象地看，我们希望的过程行为如图所示。 图中的过程a在时刻T1进入临界区。 然后，在时间T2，进程b试图进入临界区域，但失败了。 因为另一个进程已经在这个临界区域内，在某个时刻只允许一个进程在临界区域内。 然后，在时刻T3，b被暂停直到a离开临界区域，b被立即允许进入。 最后，b离开，回到了在(时刻T4 )临界区域没有进程的原来的状态