A. 如何利用信號量機制實現多進程訪問臨界資源
進程互斥 定義:兩個或兩個以上的進程,不能同時進入關於同一組共享變數的臨界區域,否則可能發生與時間有關的錯誤,這種現象被稱作進程互斥.
在多道程序環境下，存在著臨界資源，它是指多進程存在時必須互斥訪問的資源。也就是某一時刻不允許多個進程同時訪問，只能單個進程的訪問。我們把這些程序的片段稱作臨界區或臨界段，它存在的目的是有效的防止競爭條件又能保證最大化使用共享數據。而這些並發進程必須有好的解決方案，才能防止出現以下情況：多個進程同時處於臨界區，臨界區外的進程阻塞其他的進程，有些進程在臨界區外無休止的等待。除此以外，這些方案還不能對CPU的速度和數目做出任何的假設。只有滿足了這些條件，才是一個好的解決方案。
訪問臨界資源的循環進程可以這樣來描述：
Repeat
entry section
Critical sections;
exit section
Remainder sectioni;
Until false
為實現進程互斥，可以利用軟體的方法，也可以在系統中設置專門的同步機制來協調多個進程，但是所有的同步機制應該遵循四大准則：
1.空閑讓進 當臨界資源處於空閑狀態，允許一個請求進入臨界區的進程立即進入臨界區，從 而有效的利用資源。
2.忙則等待 已經有進程進入臨界區時，意味著相應的臨界資源正在被訪問，所以其他准備進 入臨界區的進程必須等待，來保證多進程互斥。
3.有限等待 對要求訪問臨界資源的進程，應該保證該進程能在有效的時間內進入臨界區，防 止死等狀態。
4.讓權等待 當進程不能進入臨界區，應該立即釋放處理機，防止進程忙等待。
早期解決進程互斥問題有軟體的方法和硬體的方法，如：嚴格輪換法，Peterson的解決方案，TSL指令，Swap指令都可以實現進程的互斥，不過它們都有一定的缺陷，這里就不一一詳細說明，而後來Kijkstra提出的信號量機制則更好的解決了互斥問題。
B. Linux系統中對臨界資源進行互斥訪問的手段是
自旋鎖（Spin Lock）是一種典型的對臨界資源進行互斥訪問的手段，其名稱來源於它的工作方式。為了獲得一個自旋鎖，在某CPU上運行的代碼需先執行一個原子操作，該操作測試並設置（Test-AndSet）某個內存變數。由於它是原子操作，所以在該操作完成之前其他執行單元不可能訪問這個內存變數。如果測試結果表明鎖已經空閑，則程序獲得這個自旋鎖並繼續執行；如果測試結果表明鎖仍被佔用，程序將在一個小的循環內重復這個「測試並設置」操作，即進行所謂的「自旋」，通俗地說就是「在原地打轉」。當自旋鎖的持有者通過重置該變數釋放這個自旋鎖後，某個等待的「測試並設置」操作向其調用者報告鎖已釋放。理解自旋鎖最簡單的方法是把它作為一個變數看待，該變數把一個臨界區標記為「我當前在運行，請稍等一會」或者標記為「我當前不在運行，可以被使用。如果A執行單元首先進入常式，它將持有自旋鎖；當B執行單元試圖進入同一個常式時，將獲知自旋鎖已被持有，需等到A執行單元釋放後才能進入。在ARM體系結構下，自旋鎖的實現借用了ldrex指令、strex指令、ARM處理器內存屏障指令dmb和dsb、wfe指令和sev指令，這類似於代碼清單7.1的邏輯。可以說既要保證排他性，也要處理好內存屏障。
自旋鎖主要針對SMP或單CPU但內核可搶占的情況，對於單CPU和內核不支持搶占的系統，自旋鎖退化為空操作。在單CPU和內核可搶占的系統中，自旋鎖持有期間中內核的搶占將被禁止。由於內核可搶占的單CPU系統的行為實際上很類似於SMP系統，因此，在這樣的單CPU系統中使用自旋鎖仍十分必要。另外，在多核SMP的情況下，任何一個核拿到了自旋鎖，該核上的搶占調度也暫時禁止了，但是沒有禁止另外一個核的搶占調度。盡管用了自旋鎖可以保證臨界區不受別的CPU和本CPU內的搶占進程打擾，但是得到鎖的代碼路徑在執行臨界區的時候，還可能受到中斷和底半部的影響。為了防止這種影響，就需要用到自旋鎖的衍生。
C. 為什麼多個進程臨界資源的訪問必須互斥
互斥就是以某種手段保證只有一個進程訪問共享資源。就是說要保證兩個或以上進程不會同時處於臨界區。
互斥方案四要求：
1.不應該對CPU數目，速度作任何假設；
2.臨界區外的進程不得阻塞其他進程進入臨界區；
3.只能一個進程進入臨界區；
4.申請進入臨界區的進程不能無限等待。
http://ke..com/view/281245.htm 這里可以參考下
D. 實現臨界區互斥的方法
實現臨界區互斥的方法主要有三種：軟體方法、硬體支持的方法、信號量方法。
首先，我們來看軟體方法。Peterson演算法是一種經典的軟體解決互斥問題的方法。它通過設置兩個標志數組和一個共享變數來實現進程間的互斥。每個進程在進入臨界區前會先設置自己的標志為想要進入臨界區，並檢查其他進程的標志。如果其他進程沒有要求進入臨界區，則當前進程可以進入。為了避免兩個進程同時檢查到對方沒有要求進入臨界區而同時進入的情況，Peterson演算法引入了一個共享變數，用來確保只有一個進程能夠進入臨界區。
其次，硬體支持的方法也是一種有效的實現臨界區互斥的手段。其中，TestAndSet是一個原子指令，它用於將一個存儲單元的值設置為1，並返回該存儲單元舊的值。通過這個指令，我們可以實現一個簡單的自旋鎖。當一個進程想要進入臨界區時，它會執行TestAndSet指令。如果返回值為0，則當前進程可以進入臨界區；如果返回值為1，則當前進程需要等待。
最後，信號量方法是一種更高級的同步機制，它可以用來實現復雜的同步需求。信號量是一個非負整數，可以用來表示可用資源的數量。P操作用於申請資源，如果信號量的值大於0，則將其減1並進入臨界區；如果信號量的值為0，則進程需要等待。V操作用於釋放資源，它會將信號量的值加1，從而可能喚醒等待的進程。通過合理地設置和使用信號量，我們可以實現多個進程對臨界區的互斥訪問。
總的來說，實現臨界區互斥的方法有多種，包括軟體方法、硬體支持的方法和信號量方法。這些方法各有優缺點，適用於不同的場景和需求。在實際應用中，我們需要根據具體情況選擇合適的方法來實現臨界區的互斥訪問。例如，在簡單的系統中，我們可以使用Peterson演算法或TestAndSet指令；在復雜的系統中，我們可能需要使用信號量來實現更精細的同步控制。