第四章 进程同步与互斥
第一节：进程间相互作用
一、相关进程和无关进程
- 相关进程：在逻辑上具有某种联系的进程
- 无关进程：在逻辑上没有任何联系的进程
- 举例：
- 为两个不同的源程序进行编译的进程，它们可以并发执行，但它们之间无关
- 三个进程，分别是读数据进程、处理数据进程、打印结果进程，他们相互依赖、相互合作，是一组相关进程。
二、与时间有关的错误
- 对于相关进程来说，可能有若干并发进程同时使用共享资源，即一个进程一次使用未结束，另一个进程也开始使用，形成交替使用共享资源。
- 结果：形成与时间有关的错误。
第二节：进程的同步与互斥
一、进程的同步
- 进程的同步：指进程之间一种直接的协同工作关系，一些进程相互合作共同完成一项任务。
- 例如：进程A从硬盘上都记录，每读出一个记录就存入缓冲区，进程B从缓冲区中取出记录加工，直至所有记录处理结束。
- 直接制约关系：A若没有把记录读入缓冲区，B等待；反之，B若没有从缓冲区取出记录，A等待。
二、进程的互斥
- 在系统中，许多进程常常需要共享资源，而这些共享资源往往需要排他性的使用，即一次只能为一个进程服务，因此，各进程只能互斥使用这些资源，进程间的这种关系就是进程的互斥。
- 例如：多个进程竞争使用打印机、一些变量、表格等资源。进程间的互斥是一种间接的制约关系。
三、临界区
临界资源：
- 若在系统中的某些资源一次只允许一个进程使用，则这类资源称为临界资源或共享变量。
临界区：
- 访问临界资源的那段代码。
相关临界区：
- 如果有若干进程共享某一临界资源，则该临界区称为相关临界区
- 如果有若干进程共享某一临界资源，则该临界区称为相关临界区
相关临界区的调度使用原则：
- 当临界资源空闲时，若有一个进程要求进入临界区，应允许它立即进入。—有空让进，有效利用资源。
- 若有一个进程已在临界区，其他要求进入临界区的进程必须等待。—无空等待，互斥进入。
- 当没有进程在临界区，而同时有多个进程要求进入临界区，选择其一进入，其他等待。—多种择一。
- 任一进程进入临界区的要求应在有限时间满足。—有限等待，避免死等。
- 处于等待状态的进程应放弃占用处理器。—让权等待，避免忙等。
第三节：信号量及P、V操作
- 为保证进程的同步与互斥，系统中应该有解决这些问题的机制，称为同步机制。
- 实际上同步是并发进程之间的执行时序上的一种相互制约关系。
- 进程互斥的实质也是同步，可把进程互斥看作是一种特殊的进程同步。
- 同步机制有两类：硬件同步机制、软件同步机制（本节所讲）。
一、信号量
- 信号量是一种特殊的变量，它表面形式是一个整型变量附加一个队列；而且它只能被特殊的操作(即P操作和V操作)使用。P操作和V操作都是原语。
- 信号量的提出：1965年，荷兰学者Dijkstra首先提出关于信号量的概念，他把信号量定义为一个用于表示资源数目的整型量S，与一般整型量不同，除初始化外，仅能通过两个标准的操作P操作和V操作来访问。
- P、V操作的使用
放在程序中，用P(S)和V(S)表达，实现进程间的同步与互斥。
二、P、V操作
- P操作定义：
P(S){
S = S - 1;
若S<0，将该进程状态置为等待状态，然后将该进程的PCB插入相应的S信号量等待队列队尾，直到有其他进程在S上执行V操作为止；
} - V操作的定义：
V(S){
S = S + 1;
若S<=0,释放在S信号量队列中等待的一个进程，将其状态改变为就绪态，并将其插入就绪队列；然后，执行本操作的进程继续执行；
}
三、信号量与P、V操作的物理含义
- 信号量S表示某类可用的资源。对于不同的资源，用不同的信号表示。
- S>0，S表示某类资源的可用数量；
- S<0，其绝对值表示排在S等待队列中进程的数目。
- 执行一次P操作，表示请求一个资源；
- 执行一次V操作，表示进程释放一个资源。
四、用P、V操作实现进程之间的互斥
五、用P、V操作实现进程间的同步
解决思路：
如果有两个进程同步，设置两个信号量S1,S2，初始值可以设为0。为了表达同步，同一信号量的P、V操作分属于两个进程，如例一：
例二：
有三个进程,进程get从输入设备上不断读取数据,并放入缓冲区buffer1 ;进程copy不断地将缓冲区buffer1中的内容复制到缓冲区buffer2 ;进程put则不断将buffer2中的内容在打印机上输出。
故可以设置四个信号量来保证三者的执行顺序。
信号量设置:
S1:初值为1 ,保证get进程能够从设备读数据到buffer1；
S2 :初始值为0 , copy进程能否将buffer1的内容复制到buffer2 ;
S3 :初始值为0 , put进程能否将buffer2的内容打印输出；
S4:初始值为1 ,保证buffer2缓冲区可以使用。
六、信号量及P、V操作小结
- P、V操作必须成对出现
- 互斥操作时，P、V操作出现在同一个进程
- 同步操作时，P、V操作出现在不同进程
- 既有同步，又有互斥操作时，同步信号量P操作在前，互斥信号量P操作在后，V操作顺序不限。
第四节：经典的进程同步问题
一、简单生产者——消费者问题
- 问题描述：
- 二元关系描述：
- 生产者生产产品放入缓冲区，消费者从缓冲区取产品，进行消费；
- P进程不能往已经“满”的缓冲区放产品，Q进程不放从“空”缓冲中取产品。
- 信号量设置：
- empty，初始值为1，用于指示空缓冲区数量
- full，初值为0，用于只是满缓冲区数量
- 解决方案：
二、多个生产者——消费者问题
- 问题描述：
- 同步问题和信号量设置：
- 生产者不能往“满”缓冲区中放产品，设置信号量empty，初始值为k，指示缓冲池中空缓冲区数目。
- 消费者不能从“空”缓冲区中取产品，设置信号量full，初始值为0，只是缓冲区中的满缓冲区数目。
- 互斥问题和信号量设置：
- 缓冲池必须互斥访问，设置信号量mutex，初值为1。
- 其他变量设置
- 整型量i，j初值为0，分别用于指示空缓冲区和满缓冲区位置。
- 整型量i，j初值为0，分别用于指示空缓冲区和满缓冲区位置。
- 例题
桌上有一个水果的盘子,一次只能放一个水果,父亲向盘中放苹果或橘子，女儿专吃苹果,儿子专吃橘子,试用pv操作写出他们能正确同步的过程。- 信号量设置:
设置三个信号量S、So、 Sa ,信号量S表示盘子是否为空，其初值为1 ;信号量So表示盘中是否有桔子其初值为0 ;信号量Sa表示盘中是否有苹果,其初值为0。
信号量定义: SemaphoreS=1 , So=0，Sa=0 ;
- 信号量设置:
三、读者——写者问题
问题描述：
假定有某个共享文件F，系统允许若干进程对文件F进行读或写。读文件的进程称为读者，写文件的进程称为写着，它们遵守如下规定：- 多个进程可以同时读文件F。
- 当一个进程在对文件F进行写时，不允许其他进程对文件进行读或写。
- 当有进程正在读文件时不允许任何进程去写文件。
问题分析：
- 写者进程与写者进程之间互斥访问文件F
- 写者进程与第一个读者之间互斥访问文件
变量设定：
- read_ count :整型量,当前正在读的读者进程个数,来一个读者,数量加1，走一个读者,数量减1 ;
mutex :互斥信号量，对read_count互斥访问。
write :互斥信号量，写者与写者的互斥,写者与读者之间的互斥。
- read_ count :整型量,当前正在读的读者进程个数,来一个读者,数量加1，走一个读者,数量减1 ;
例题
若有一个文件F，供多进程读。现把进程分成A、B两组，规定同组的进程可以同时读文件F ,但不同组的进程不能同时读文件F。试用PV操作写出该问题的同步算法。- 变量设置:
定义两个计数器C1和C2分别记录A组和B组中正在读文件F的进程数,它们的初始值均为0。 - 信号量设置:
设置三个信号量S1、S2和SAB才能保证正确并发执行。S1用来保证A组进程对C1的互斥访问, S2用来保证B组对C2的互斥访问, SAB用来保证A组进程和B组进程对文件F的互斥访问它们的初始值均为1 ;
- 变量设置:
四、同步与互斥的综合应用
例4-1 :路口单双号交通管制
问题描述:
某个城市为了解决市内汽车太多、拥堵问题,出台一项措施:对进入市区的机动车辆实行单双号限行办法,规定单号单行,双号双行。
有一个进入市区中心的路口，进入该路口的道路有条,离开该路口道路有两条，一条进入市区, -条进入环线。路口设有车牌识别设备和放行栅栏。如图4 -4所示:
例4.1分析
可抽象为生产者——消费者问题
生产者:检查车辆牌号
消费者1 :进入“市区放行栅栏”
消费者2 :进入“环路放行栅栏”
第五节：管程
一、管城的提出
- 信号量即PV操作的缺点：
- 程序易读性差
- 程序不利于修改和维护
- 正确性难以保证
- 为了更易于编写正确的程序，引入管程
二、管程的概念及组成
定义:
是一个由过程、变量及数据结构等组成的一一个集合,它们组成一一个特殊的模块或软件包。进程可在任何需要的时候调用管程中的过程。组成:
管程名称、共享数据说明、对数据进行操作的一组过程、对共享数据赋初值的语句。
第六节：进程通信
一、共享内存
原理
在相互通信的进程之间设有一个公共内存区,一组进程向该公共内存中写,另一组进程从公共内存中读,通过这种方式实现两组进程之间的信息交换
二、消息机制——消息缓冲
消息缓冲通信原理:
- 进程间的数据交换，是以格式化的消息(也称为报文)为单位的。程序员直接利用操作系统提供的一组通信命令(原语) ,实现大量数据的传递，通信过程对用户是透明的。
- 进程间的数据交换，是以格式化的消息(也称为报文)为单位的。程序员直接利用操作系统提供的一组通信命令(原语) ,实现大量数据的传递，通信过程对用户是透明的。
信箱通信原理:
- 为了实现进程间的通信,可以设计一个通信机构–信箱,以发送信件和接收信件为进程间通信的基本方式。
- 为了实现进程间的通信,可以设计一个通信机构–信箱,以发送信件和接收信件为进程间通信的基本方式。
三、 管道通信
- 所谓“管道"，是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现他们之间通信的一个共享文件,又名pipe
文件。
最早出现在UNIX系统中,是UNIX系统进程通信的一大特色。
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