使用中断禁用实现互斥

在任何操作系统中，许多进程同时运行，许多时候它们想要使用相同的共享变量或共享数据。每当一个进程正在使用某些共享资源时，我们说该进程处于临界区中。 临界区的主要规则非常简单但非常重要：任何两个进程不得同时处于同一个临界区。

如果两个进程同时进入临界区，数据将被破坏，产生错误的结果，系统可能会出现异常行为。因此，需要一种方法来确保一次只有一个进程进入。这种方法称为互斥。

有许多技术可以实现互斥。其中一种简单但古老的技术是使用中断禁用。本章将解释它的工作原理、为什么有效、存在的问题以及其适用场景。

什么是互斥？

在深入了解中断禁用之前，先理解互斥本身。每当一个进程处于临界区时，其他进程不得进入。这意味着一次只允许一个进程进入。 这可以保护共享数据免受意外更改。

示例：想象你和你的朋友都试图更新同一个银行余额。如果双方同时更新而没有任何规则，两个值可能会冲突，最终余额将错误。OS 通过互斥解决这个问题。

简单来说：互斥确保一次只有一个进程使用临界区。

具有优先级的互斥问题

有时进程具有不同的优先级。更高优先级的进程可能会抢占（停止）仍在临界区内的较低优先级进程。这很危险，因为较低优先级进程尚未完成对共享数据的更新。因此，OS 需要一个强有力的规则来防止这种干扰。这就是中断禁用可以提供简单解决方案的地方。

中断和进程切换

在理解解决方案之前，我们必须了解中断的作用。中断基本上是一个信号，告诉 CPU 停止当前进程并处理其他事情。

中断来自硬件、定时器、键盘、磁盘，甚至有时来自软件。每当发生中断时，CPU 就会从运行中的进程切换到另一个活动或另一个进程。

有两种主要事件会导致 CPU 切换进程：

• 内部事件 − 运行中的线程或进程执行了某些操作从而放弃 CPU。
• 外部事件 − 来自外部的中断，如定时器或硬件信号。

如果我们想在短时间内完全停止进程切换，则必须阻塞内部事件和外部事件。内部事件可以通过仔细编写代码来避免。但外部事件需要更强有力的手段。

停止外部事件的唯一方法是禁用中断

一旦禁用中断，CPU 就不会切换到另一个进程。它将继续运行当前进程，而不受任何干扰。

使用中断禁用实现互斥

获得互斥的最直接方法是让进程在进入临界区之前禁用中断。当中断被禁用时，OS 无法切换到另一个进程。因此，当前进程在处理共享变量时获得完全的安全性。

每当中断被禁用时，调度就会停止。没有其他进程能获得 CPU。这意味着只有当前进程能访问共享数据。

这种方法在单处理器系统中效果良好，因为一次只有一个 CPU 在运行。因为如果中断被禁用，CPU 将连续执行指令而不会中断，上下文切换不会发生。

因此，只要进程停留在临界区内，就没有人能强行介入。

为什么中断禁用能提供互斥

要理解为什么禁用中断能提供互斥，请考虑以下几点 −

• CPU 一次只运行一个进程。
• 进程切换只在明确定义的点发生。
• 这些切换点主要依赖于中断。

因此，如果中断被禁用 −

• 没有外部中断能到达。
• 没有定时器中断能到达。
• 没有硬件中断能到达。
• 因此，无法发生上下文切换。

如果无法发生上下文切换，那么就没有其他进程能进入临界区。 这为共享数据提供了完全保护，至少在单处理器系统中是这样。

互斥的要求

互斥需要满足一些条件 −

• 没有两个进程能同时进入。
• 临界区内的执行必须是原子的。
• 没有进程应该被不必要地延迟。
• 没有外部力量应该中断临界区。

当中断被禁用时，所有这些点都以简单的方式得到满足。因为 CPU 现在完全受当前进程控制，没有其他进程能运行。

中断禁用的缺点

尽管这种方法简单，但它也带来了许多问题。这就是为什么现代操作系统不太依赖这种方法。

系统时钟依赖中断

计算机的时钟通过从定时器设备接收定期中断来保持时间。如果中断被禁用，这些定时器信号就无法到达 CPU。这意味着系统时间可能会漂移或变得不准确。在某些系统中，这会造成大问题，因为许多任务依赖于正确的计时。

多处理器上的中断禁用无效

在单处理器上，禁用中断有效是因为只有一个 CPU。但在多处理器或多核系统中，即使一个 CPU 禁用了中断，其他 CPU 仍继续运行。因此，CPU 1 上的进程可能禁用了中断，但 CPU 2 上的另一个进程仍能访问共享数据。因此，无法保证互斥。

要在多处理器上使其生效，所有 CPU 必须同时禁用中断，这既慢又复杂。

长时间禁用中断会锁定系统

如果进程在临界区内停留太久，并且整个时间中断保持禁用，那么 −

• 键盘输入可能无法检测，
• 鼠标事件可能无法检测，
• 调度任务可能会延迟，
• 系统可能看起来冻结。

因此，禁用中断必须非常小心地使用，并且时间要短。

低优先级用户可能滥用它

如果任何简单的用户程序获得禁用中断的权限，整个 OS 都会变得不稳定。系统将无法切换进程并可能挂起。这就是为什么用户级程序不允许禁用中断。只有 OS 内核能做这项工作。

不适合实时系统

实时系统需要精确的计时、确切的调度，并且必须快速响应外部事件。如果中断被禁用，这种精确性就会丢失。因此，这种方法不适合实时操作系统。

内部事件 vs 外部事件

为了更好地理解中断禁用，让我们来看看控制 CPU 切换的两种事件类型。

内部事件

内部事件发生在运行中的线程内部。例如，

• 线程自愿放弃 CPU。
• 线程进入等待状态。
• 线程进行系统调用。

内部事件易于处理，因为进程本身在做出选择。

外部事件

外部事件来自 CPU 外部。例如，

• 定时器中断，
• 键盘中断，
• 磁盘中断，
• 鼠标中断，
• 网络中断。

要临时停止外部事件，必须禁用中断。这是唯一能保证没有意外事件干扰临界区的办法。

使用中断禁用的互斥步骤

以下是进程使用此技术的过程 −

步骤 1 − 进程想要进入临界区。

步骤 2 − 它禁用中断。

步骤 3 − 进入临界区并安全更新共享数据。

步骤 4 − 离开临界区。

步骤 5 − 重新启用中断。

只要中断被禁用，互斥就得到维持。此方法适用于单处理器系统、小型嵌入式系统、内核级关键操作、非常短的临界区（仅几条指令）。它不适合高负载多任务或基于多处理器的系统。

结论

使用中断禁用的互斥是操作系统中最简单和最早的技术之一。它通过停止所有中断确保只有一个进程进入临界区。这防止了 CPU 切换进程并保护共享变量。

但尽管这个想法很简单，它也有许多问题，如时序问题、多处理器问题和系统冻结。由于这些限制，现代操作系统很少直接使用此方法，除非是内核内部非常小且快速的操作。

不过，理解此方法很重要，因为它解释了早期 OS 设计的工作原理以及基本互斥思想的起源。今天锁、信号量和其他同步方法都源于这些早期思想。