文章目录

【第四章】进程同步
- | 本章概念
- - 1.进程同步相关概念
  - 2.软件同步机制
  - 3.硬件同步机制
  - 4.信号量机制
  - 5.管程机制（了解）
- | 本章算法
- - 1.生产者-消费者进程同步问题
  - 2.读者-写者进程同步问题
  - 3.信号量与进程数的关系
- | 课后简答题

【第四章】进程同步

| 本章概念

1.进程同步相关概念

进程同步的目的：使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性
进程间的制约关系：互斥关系（进程互斥使用临界资源）、同步关系（进程间相互合作）
临界资源：一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量。进程间应采取互斥方式，实现对临界资源的共享。
进入区：用于检查是否可以进入临界区的代码段

临界区：进程中涉及临界资源的代码段；

退出区：将临界区正被访问的标志恢复为未被访问标志。

剩余区：其它代码

item nextConsumed;
while (1) {//进入区while (counter == 0)/* do nothing */nextConsumed = buffer[out];out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;counter--; //临界区//退出区break;//其它区
}

解决临界区问题的同步机制，需要遵循下列4条准则：空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待（当进程不能进入自己的临界区时，应该立即释放处理机，避免进程陷入忙等）
进程同步的机制有：软件同步机制、硬件同步机制、信号量机制、管程机制

2.软件同步机制

使用编程方法解决临界区问题，有难度、具有局限性，现在很少采用
介绍一种重要的软件同步机制算法 —— Peterson算法

算法思想：如果双方都想进入临界区，可以尝试让进程“孔融让梨”，主动让对方先使用临界区

//共享变量
bool flag[2];  //数组，下标对应进程号，元素表示对应下标的进程有无进入临界区的意愿
int turn = 0;  //若在P1中 turn=0，则表示若P0想进入临界区，P1愿意让P0插队进入临界区；若在P0中 turn=1，则表示若P1想进入，P0愿意让P1插队进入临界区//P0进程
//【进入区】
flag[0] = true; //P0想进入临界区，则flag[0]表示为true
turn = 1;  //P0进入临界区的时候若P1也想进，则turn=1表示P0愿意给P1插队
while(flag[1] && turn==1); //若P1正在占用临界区（flag[1]==true）或者 P1不愿意让P0插队，则P0进入就绪状态，等待P1用完临界资源
critical section;  //【临界区】
flag[0] = false; //【退出区】使用完临界资源，则想进入临界区改为false
ramainder section;  //【剩余区】//P1进程
flag[1] = true;
turn = 0;
while(flag[0] && turn==0);
critical section;
flag[1] = false;
remainder section;

3.硬件同步机制

缺点：不符合“让权等待”原则，浪费CPU时间。很难解决复杂的同步问题
关中断：
- 进入锁测试之前关闭中断，完成锁测试并上锁之后才打开中断（与原语的实现思想相同，即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，也不能发生进程切换，进而不可能发生两个进程同时访问临界区的情况）
- 优点：简单、高效
- 缺点：不适用于多处理机，只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程（因为开 / 关中断指令只运行在内核态，这组指令如果能让用户用会很危险）
互斥锁：
- 设临界区的类名为S。为了保证每一次临界区中只能有一个程序段被执行，又设锁定位 key[S]。key[S] 表示该锁定位属于类名为S的临界区。
- key[S]=1时表示类名为Ｓ的临界区可用，位 key[S]=0时表示类名为Ｓ的临界区不可用。
TestAndSet 指令：是一种借助一条硬件指令——“测试并建立”指令TS(Test-andSet)以实现互斥的方法。在许多计算机中都提供了这种指令

//lock表示当前临界区是否被加锁，true加了，false没加
bool TestAndSet (bool *lock){bool old = *lock;*lock = true;return old;
}//进程Pi
while(TestAndSet(&lock));
//临界区代码
.....
lock = false; //解锁
//剩余区代码
.....

Swap指令：用硬件实现的，执行过程中不允许被中断，只能一气呵成

//Swap 指令的作用是交换两个变量的值
Swap (bool *a , bool *b){bool temp;temp = *a;*a = *b;*b = temp;
}//进程Pi
do{key = true;do{Swap(lock,key);}while(key != false)//临界区代码......lock = false;//剩余区代码......
}while(true)

4.信号量机制

软件同步机制和硬件同步机制，都无法实现“让权等待”
原语：只能一气呵成，不能被中断。原语是由关中断 / 开中断指令实现的。因此若能把进入区、退出区的操作用原语来实现，则可避免同时访问临界区的问题
wait(S) 原语和 Signal(S) 原语，可以理解为一个名为wait / signal的方法（函数），S即为我们传入的参数——信号量。
PV操作：
- 常常把 wait(S) 写成 P操作，Signal(S) 写成V操作。即：Wait(s)又称为P(S)，为进入操作；Signal(s)又称为V(S)，V为退出操作
- P.V操作必须成对出现，有一个P操作就一定有一个V操作
- 当为互斥操作时，它们同处于同一进程；当为同步操作时，则不在同一进程中出现
信号量机制缺点：同步操作分散、易读性差、不利于修改和维护、正确性难以保证

下面介绍一些常见信号量：

整型信号量：S为整型变量。缺点：进程忙等

wait(S)：while s<=0 ; /*do no-op*/s:=s-1;signal(S)：s:=s+1;

记录型信号量：去除忙等的信号量
- 每个信号量S除一个整数值S.value外，还有一个进程等待队列S.list，存放阻塞在该信号量的各个进程PCB
- 信号量只能通过初始化和两个标准的原语PV来访问，作为OS核心代码执行，不受进程调度的打断
- 初始化指定一个非负整数值，表示空闲资源总数（又称为"资源信号量"），若为非负值表示当前的空闲资源数，若为负值其绝对值表示当前等待临界区的进程数

wait(semaphores *S) { //请求一个单位的资源S->value --; //资源减少一个if (S->value<0) block(S->list) //进程自我阻塞
}
signal(semaphores *S) //释放一个单位资源
{S->value++; //资源增加一个if (S->value<=0) wakeup(S->list); //唤醒等待队列中的一个进程
}

AND型信号量：
- 基本思想：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部分配给进程，待进程使用完后再一起释放。
- 对若干个临界资源的分配，采用原子操作。
- 在wait(S)操作中增加了一个“AND”条件，故称之为AND同步

Swait(S1，S2，…，Sn) {while (TRUE) {if (Si>=1 && … && Sn>=1) {for (i =1;i<=n;i++) Si--){break;}}}}else {//......}
}}

信号量集——扩充AND信号量：对进程所申请的所有资源以及每类资源不同的资源需求量，在一次P、V原语操作中完成申请或释放

信号量的应用：信号量必须置一次且只能置一次初值，初值不能为负数；除了初始化，只能通过执行P、V操作来访问信号量
- 利用信号量实现进程互斥：设置互斥信号量
- 利用信号量实现前趋关系
- 利用信号量实现进程同步：设置同步信号量

//信号量实现互斥
semaphore mutex;
mutex=1; // 初始化为1
while(1)
{wait(mutex);临界区；signal(mutex);剩余区；
}

//信号量实现进程同步
P1(){C1;signal(s);…
}P2(){…wait(s); C2;
}

5.管程机制（了解）

由编程语言解决同步互斥问题
一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行（在该数据结构上）的一组操作
管程的功能：互斥（管程中的变量只能被管程中的操作访问、任何时候只有一个进程在管程中操作、类似临界区、由编译器完成）、同步

| 本章算法

1.生产者-消费者进程同步问题

需要注意的地方
- 用于实现互斥的wait(mutex)和signal(mutex)必须成对出现
- 每个程序中的多个wait操作的顺序不能颠倒，应先执行对资源信号量的wait操作，再执行对互斥信号量的wait操作，否则可能会引起进程死锁。
具体代码与实现，请参考：https://blog.csdn.net/liushall/article/details/81569609

//生产者-消费者 伪代码var items = 0, space = 10, mutex = 1;
var in = 0, out = 0;
item buf[10] = { NULL };producer {while( true ) {wait( space );  // 等待缓冲区有空闲位置， 在使用PV操作时，条件变量需要在互斥锁之前wait( mutex );  // 保证在product时不会有其他线程访问缓冲区// productbuf.push( item, in );  // 将新资源放到buf[in]位置 in = ( in + 1 ) % 10;signal( mutex );  // 唤醒的顺序可以不同signal( items );  // 通知consumer缓冲区有资源可以取走}
}consumer {while( true ) {wait( items );  // 等待缓冲区有资源可以使用wait( mutex );  // 保证在consume时不会有其他线程访问缓冲区// consumebuf.pop( out );  // 将buf[out]位置的的资源取走out = ( out + 1 ) % 10;signal( mutex );  // 唤醒的顺序可以不同signal( space );  // 通知缓冲区有空闲位置}
}

2.读者-写者进程同步问题

有两组并发进程：读者和写者，共享一组数据区
要求：允许多个读者同时执行读操作；不允许读者、写者同时操作；不允许多个写者同时操作。
分类：读者优先(第一类读者写者问题) ；写者优先(第二类读者写者问题)
具体代码与实现，请参考：https://blog.csdn.net/qq_35235032/article/details/106652964?spm=1001.2101.3001.6661.1&utm_medium=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7Edefault-1-106652964-blog-104970354.pc_relevant_multi_platform_whitelistv1&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7Edefault-1-106652964-blog-104970354.pc_relevant_multi_platform_whitelistv1&utm_relevant_index=1

//读者优先（伪代码）// 互斥读者与读者
semaphore rmutex = 1;
// 互斥读者与写者，写者与写者
semaphore mutex = 1;
// 表示读者数量，需看成临界资源，即进来一个读者就+1操作
int readcount = 0;// 读者进程
void reader()
{while(TRUE){// 互斥其他读者，只允许一个读者进入P(rmutex);if(readcount == 0)// 如果读者数目为0，所以就必须互斥写者P(mutex);// 读者数+1readcount++;// 释放，让其他读者进来修改readcountV(rmutex);/* 读操作 */// 读者离开，需要访问readcountP(rmutex);readcount--;// 如果此时没有读者了，表示写者可以进行写了if(readcount == 0)V(mutex);// 释放readcount资源V(rmutex);}
}void writer()
{while(TRUE){// 写者和一般消费者进程一样，获取信号量值P(mutex);/* 写操作 */// 让文件可读和可写V(mutex);}
}void main()
{reader();writer();reader();/*.......*/
}

//写者优先（伪代码）// 互斥读者与写者
semaphore mutex = 1;
// 互斥读者
semaphore rmutex = 1;
// 互斥写者
semaphore wmutex = 1;
// 表示是否还有写者
semaphore readable = 1;// 读者数量，写者数量
int readcount = 0, writecount = 0;void reader()
{// 先看是否可读P(readable);// 互斥其他读者修改readcountP(rmutex);if(readcount == 0)// 如果没有读者，需要互斥写者P(mutex);readcount++;V(rmutex);V(readable);/* 读取中 */P(rmutex);readcount--;if(readcount == 0)V(mutex);V(rmutex);
}void writer()
{// 互斥其他写者，写入writecountP(wmutex);if(writecount == 0)// 此时不能让写者以后的读者进去P(readable)writecount++;V(wmutex);// 互斥在写者之前的读者P(mutex);/* 写入中 */// 写入完成离开V(mutex);P(wmutex);writecount--;if(writecount == 0)// 让写者以后的读者可读V(readable);V(wmutex);}void main()
{reader();writer();reader();/* ... */
}

3.信号量与进程数的关系

书本课后13题．若信号量的初值为2，当前值为-1，则表示有多少个等待进程?请分析。

信号量初值：表示系统中的资源数量

当信号量 <0 的时候，表示资源已经分配完毕，进程自我阻塞。

因而，” 等待进程 “ 的数量等于 |负值的信号量的绝对值|

因此题目中，有 |-1| = 1个等待进程

书本课后14题.有m个进程共享同一临界资源,若使用信号量机制实现对某个临界资源的互斥访问,请求出信号量的变化范围。

信号量初值为信号量的最大值，表示最多可以分配的请求

若信号量初值为1，则信号量最大为1，最小量为1-m（总有一个进程会进行，因此最多有1-m个阻塞的）

因而变化范围为 [1-m , 1]

书本课后15题．若有4个进程共享同一程序段，而且每次最多允许3个进程进入该程序段，则信号量值的变化范围是什么?

程序段作为共享资源，最多允许3个进程进人其中，因此设置信号量初值为3。当4个进程共享该程序段时，在每个进程申请进入时，信号量都会执行减1操作。

当第1个进程申请进入时，信号量值变为2;

第2个进程申请进入时，信号量值变为1;

第3个进程申请进入时，信号量值变为0,

第4个进程申请进入时，信号量值变为-1。

因此，信号量的变化范围是3，2，1，0，-1

| 课后简答题