计算机操作系统

读书笔记

第二章 进程的描述与控制 进程同步（重点）

  • 计算机操作系统
  • 前言
  • 进程同步
  • 一、进程同步的基本概念
    • 1.1 两种形式的制约关系
    • 1.2 临界资源(Critical Resouce)
    • 1.3 临界区(critical section)
    • 1.4 同步机制应遵循的规则
  • 二、信号量机制（重要！！！）
    • 1.整型信号量
    • 2.记录型信号量（重点！！！）
    • 3.AND型信号量
    • 4.信号量集
  • 三、几种信号量机制的区别
  • 四、信号量的应用
    • 4.1 进程互斥
    • 4.2 利用信号量实现前驱关系
    • 4.3 利用记录型信号量实现同步
  • 总结

前言

  传统的OS中，为提高资源利用率和系统吞吐量，通常采用多道程序技术，将多道程序同时装入内存，使之并发运行，此时作为资源分配和独立运行的基本单位都是进程，OS的四大特征也都是基于进程而形成的。所以进程是极其重要的，本章将对其进行详细阐述。

  操作系统的主要作用：管理好这些设备，提高它们的利用率和系统的吞吐量。

进程同步


一、进程同步的基本概念

1.1 两种形式的制约关系

  • 间接相互制约关系，如共享某临界资源。（如两个人在图书馆借同一本书，A先借书，B要借书必须等A还了书才能借。）

  • 直接相互制约关系，如进程间的合作。（如流水线生产商品，如A生产了一个商品方到流水线上，B才能在流水线取到商品。）

1.2 临界资源(Critical Resouce)

  进程间只能进行互斥访问的资源。 临界资源分为：硬件临界资源和软件临界资源。


生产者-消费者问题

问题的描述：

  有一群生产者进程在生产产品，并将这些产品提供给消费者进程去消费。

  为使生产者进程与消费者进程能并发执行，在两者之间设置了一个具有 n 个缓冲区的缓冲池，生产者进程将它所生产的产品放入一个缓冲区中；消费者进程可从一个缓冲区中取走产品去消费。

生产者进程和消费者进程共享的变量

int n;
typedef struct
{......
}item;
int in=0,out=0,counter=0;
item buffer[n];//具有个缓冲区的缓冲池
item nextp,nextc;
void producer()//生产者进程
{while(1){produce an item in nextp;...while(counter==n);buffer[in]=nextp;in=(in+1)%n;counter++;}
}
void consumer()//消费者进程
{while(1){while(counter==0);nextc=buffer[out];out=(out+1)%n;counter--;consumer the item in nextc;...}
}

  注：单独执行和顺序执行两个进程都正确，但并发执行时对 in，out，counter 的访问可能产生同步错误。原因在于：

  • (1) producer 和 consumer 共享一个 counter；

  • (2) 多个 producer 共享 in

  • (3) 多个 consumer 共享 out

由于，当下我们还没学到信号量，更不懂记录型信号量是什么，所以关于生产者-消费者问题我们在后面进行说明。
变量描述：



  例如：P1 进程中有语句 x=x+1x=x+1x=x+1；P2 进程中有语句 x=x−1x=x-1x=x−1；假设 xxx的初值为 5，描述两个进程顺序的执行情况；并给出一种两进程并发执行的情况。

假设：

答：xxx 为临界资源，各并发进程应互斥访问变量 xxx。

1.3 临界区(critical section)

临界区定义：进程中访问临界资源的那段代码。

临界区作用：在共享某个资源时，不允许多个并发进程交叉执行的临界区中的代码，以保证诸进程对临界资源的互斥访问。

一个访问临界资源的进程描述

  • 临界区（Critical Section）：
    每个进程中访问临界资源的代码。

  • 进入区（Entry Section）：
    在临界区前的一段用于检查临界资源正被访问标志的代码。

  • 退出区（Exit Section）：
    在临界区后用于恢复检查临界资源未被访问标志的代码。

  • 剩余区（Remainder Section）：
    进程中除上述三个区以外的代码。

注：

  • 进入区就是申请临界资源

  • 临界区就是使用临界资源

  • 退出区就是释放临界资源

1.4 同步机制应遵循的规则

  • 空闲让进：当无进程处于临界区，允许一个进程进入；

  • 忙则等待：当已有进程进入临界区，其它进程必须等待；

  • 有限等待：对要求访问临界资源的进程，应保证在有限时间进入临界区；

  • 让权等待：当进程不能进入临界区，应立即释放 CPU。

二、信号量机制（重要！！！）

信号量（Semaphore）：为实现进程同步而设置的特殊变量。

1.整型信号量

把整型信号量定义为用于表示资源数目的一个整型量。如下所示：

typedef int Semaphore;
Semaphore s;

注意：与一般变量不同的是，对于信号量除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作 wait(s)和 signal(s)来访问，分别称为 PPP 操作和 VVV 操作。

注：

  • PPP看做进入区操作的事情-（申请资源）

  • VVV看做退出区操作的事情-（释放资源）

信号量的三种操作：

（1）初始化

  根据实际资源数，对 sss 进行初始化(s≥0s≥0s≥0 为非负整数)可描述为：

Semaphore s=5

（2）P 操作, wait(s)

可描述为：

 wait(s){ while (s≤0) { };s=s-1;}

（3）V 操作, signal(s)

可描述为：

 s=s+1;

说明：

  • 仅能通过 wait(s)和 signal(s)来访问 sss。

  • wait(s)和 signal(s)是两个原子操作，在执行时不可中断。

      我们通过例子来理解：

例一：

  比如有两个进程：AAA和BBB一台打印机，S=1S=1S=1（资源数目为1），如果AAA先用打印机，AAA就会先进入进入区申请打印机这个资源，它就会执行上述的P操作，这时候S=1>0S=1>0S=1>0的，此时打印机可以用，所以它执行S:=S−1S:=S-1S:=S−1这个操作，此时AAA处于临界区（它在使用打印机这个资源），这个时候如果BBB也想用打印机这个资源，BBB也需要和AAA一样先进入进入区申请打印机这个资源，由于之前AAA还在使用S=0<=0S=0<=0S=0<=0是成立的，这就意味着没有资源给BBB用，因为就一台打印机（AAA还在用），所以此时BBB申请不上打印机，此时它执行一个do−no−opdo-no-opdo−no−op（一个空操作），当AAA这个进程执行完，它就进入退出区，到了退出区，它就会释放这个资源，也就执行VVV操作，把SSS变成S:=S+1=1S:=S+1=1S:=S+1=1，这个时候打印机的资源数量变为了1，也就是AAA打印完了，释放了资源，这个时候BBB想要使用的话就能够申请上了。

例二：

  假设变量 xxx 初值为 5。P1P1P1 进程中有语句 x=x+1x=x+1x=x+1；P2P2P2进程中有语句 x=x−1x=x-1x=x−1；试利用整型信号量机制来解决进程间的并发，即在访问临界变量 xxx时不出现错误，并进行分析。

解：

  变量 xxx 是临界资源，为保证对其访问的正确性定义整型信号量 sss，并初始化为 1，Semophore s=1;


P1P1P1，P2P2P2 并发的一个实例为：

注：整型信号量不遵循“让权等待”原则。

2.记录型信号量（重点！！！）

  由于整型信号量未遵循让权等待这一原则，会导致忙等所以它并不是最佳的一个方法，所以就引出了信号量的第二个阶段—记录型信号量，记录型信号量的进程申请不上不会忙等（CPU一直申请），它会将申请不上资源的进程阻塞或者等待，然后这些进程就会被链接到链表L上面，通过访问这个链表我们就能知道哪些资源在等待资源，随着资源的使用访问就可以从L上唤醒其中一个进程，使它从阻塞态进入到就绪态，然后等待CPU去调度执行。

记录型信号量采用记录型的数据结构，描述为：
typedef struct
{ int value;
struct process_control_block *list;
} Semaphore;
其中：

value：表示资源个数
list：等待该资源而阻塞的进程链表

  记录型信号量的P、V操作和整型信号量不同：

  它在申请资源时不管能不能申请上都会先让资源数量减1，具体如下：

wait(s)和signal(s)的描述：

wait(s)：

wait(Semaphore &s)
{
s.value=s.value-1;
if (s.value＜0)
block(s.list);//阻塞并插入到 s.list 阻塞队列
}

signal(s)：

signal(Semaphore &s)
{
s.value=s.value+1;
if (s.value≤0)
wakeup(s.list); //唤醒 s.list 队列中的第一个进程
}

  • 说明：
    ➢ wait 操作意味着请求一个单位的资源（进入区）。
    ➢ signal 操作意味着释放一个单位的资源（退出区）。
    ➢ s.value＜0 表示该类资源已经分配完毕，此时 s.value 的绝对值就是等待链表 s.list 中的进程个数
    ➢ 若 s.value 的初值为 1，则表示该资源为临界资源，此信号量成为互斥信号量。


例：

  假设变量 xxx 初值为 5。P1P1P1 进程中有语句 x=x+1x=x+1x=x+1；P2P2P2 进程中有语句 x=x−1x=x-1x=x−1；P3P3P3 进程中有语句 x=x+2x=x+2x=x+2；试利用记录型信号量机制来避免在访问临界变量 xxx 时出现错误，并进行分析。

  思考：进程执行的正确结果应为多少？

解：
Semophore s; s.value=1;


本例中，时间片 5 时，P1P1P1 终止，此时唤醒阻塞队列中的对首进程P2P2P2，P2P2P2 便通过了进入区，获得了资源。

3.AND型信号量

问题的提出：

  在实际问题中，一个进程可能同时需要多个资源才能执行，即必须同时获得某种资源的多个单位资源量才可以顺利执行。

  例如：在两个进程 PAPAPA和 PBPBPB都要求访问临界资源 DDD 和 EEE。试解决它们之间的进程同步问题。

解：
如果使用记录型信号量，则需要为 DDD 和 EEE 分别设置信号量 sDsDsD和 sEsEsE，且资源量初值都为 1。
Semaphore sD, sE;
sD.value=sE.value=1;

在执行时，可能出现以下并发情况：
PAPAPA : wait(sD); //sD.value=0
PBPBPB : wait(sE); //sE.value=0
PAPAPA : wait(sE); //sE.value=-1,于是 AAA阻塞
PBPBPB : wait(sD); //sD.value=-1,于是 BBB阻塞


AND 同步机制的基本思想

  所有资源一次性分配，待使用完后再一次性释放。即对于进程所需
资源，要么全部分配到进程，要么一个也不分配。

AND 型同步信号量描述

  假设进程 PPP 同时需要 nnn 类资源，为其所需资源分别分配信号量si,i=1…nsi,i=1…nsi,i=1…n，sisisi为表示资源数量的整数。

Swait 操作为：

Swait(s1,s2,…,sn)
{ if(s1≥1)&&(s2≥1)&&…&&(sn≥1){  for(i=1;i<=n;i++)si=si-1;}else{ ①该进程进入到由第一个未得到满足的资源 Si 所对应的阻塞队列；②并将该进程的程序计数器指向 Swait()的开始处，即该进程下一次执行时重新从 Swait()开始。} }

Ssignal 操作为：

Ssignal(s1,s2,…,sn)
{ for(i=1;i<=n;i++) { si=si+1;将因等待资源 Si 而产生的阻塞队列中的所有进程全部转入就绪队列。}
}


例：

  设有三个进程 P1,P2,P3P1,P2,P3P1,P2,P3，系统有 3 种临界资源 A,B,CA,B,CA,B,C。P1P1P1 执行时同时需要 AAA 和 BBB，P2P2P2 执行是同时需要 BBB 和 CCC，P3P3P3 执行时同时需要A,B,CA,B,CA,B,C。试利用 ANDANDAND 型信号量解决 P1,P2,P3P1,P2,P3P1,P2,P3 间的进程同步问题。

解：为资源 A,B,CA,B,CA,B,C 分别分配信号量 sA,sB,sCsA,sB,sCsA,sB,sC，因为都是临界资源所以初值都为 1。

4.信号量集

问题的提出：

  前面的 P,VP,VP,V 操作中，对某类资源的申请或释放每次只能是一个单位。在 ANDANDAND 型机制中，只要 si≥1si≥1si≥1，就允许分配资源。但在实际应用中，进程对某类资源的申请或释放每次可以是多个(n个n个n个)；而当某类资源的数量小于某一下限值，就不能分配了。

  存在的问题：一次性的实质申请和一次性的释放，比较低效，因为只要申请或释放的过程中有一个不满足，所有的都不给它，这就是它存在的问题。

信号量集的描述：

  信号量集实际是对 ANDANDAND 型信号量的扩充，对于某类资源 iii，除了为其设置信号量 sisisi 表示资源数量，还设置 dididi 为每次的需求量，设置 tititi 为分配是的下限值。

  假设进程 P 同时需要 n 类资源，为其所需资源分别分配信号量 si，需求量 di，下限值 ti,i=1…n。

Swait 操作为：

Swait(s1,t1,d1,s2,t2,d2…,sn,tn,dn)
{ if(s1≥t1)&&(s2≥t2)&&…&&(sn≥tn)for(i=1;i<=n;i++) si=si-di;else{①该进程进入到由第一个未得到满足的资源 Si 所对应的阻塞队列；②并将该进程的程序计数器指向 Swait()的开始处，即该进程下一次执行时重新从 Swait()开始。}
}

进入区

Ssignal 操作为：

Ssignal(s1,t1,d1,s2,t2,d2…,sn,tn,dn)
{ for(i=1;i<=n;i++) { si=si+di;将因等待资源 i 而产生的阻塞队列中的所有进程全部转入就绪队列。}
}

退出区

信号量集的几种特殊形式

  • ① Swait(S,d,d)。
    此时只对一种资源申请，但允许每次申请 ddd 个资源，当现有资源数少于 ddd 时，不予分配。

  • ② Swait(S,1,1)。
    此时只对一种资源申请，每次申请 1 个资源，当现有资源数少于 1 时，不予分配。

  • ③ Swait(S,1,0)。
    这是一种很特殊且很有用的信号量操作。当S≥1S≥1S≥1 时，允许多个进程进入某特定区；当 SSS 变为 0 后，将阻止任何进程进入特定区。换言之，它相当于一个可控开关。

三、几种信号量机制的区别

  • 申请资源未满足时是否需要阻塞

  整型信号量中，在申请资源未满足时，不释放 CPU，不阻塞；其余三种信号量机制，在申请未满足时，都自我阻塞，并到等待该资源的阻塞队列中。

  • 申请资源的种类个数

  整型信号量和记录型信号量机制中，进程每次申请1种资源的1个；ANDANDAND 型信号量机制中，进程每次同时申请 n(n≥1)n(n≥1)n(n≥1)种，每种申请 1 个；信号量集中，进程每次同时申请 n(n≥1)n(n≥1)n(n≥1)种，每种申请 d(d≥1)d(d≥1)d(d≥1)个。

  • 资源释放唤醒后的重新调度

  整型信号量中，无唤醒，重新调度执行是仍先检测；记录型信号量中，每次只唤醒阻塞链表中的第一个进程，且该进程无需重新检测直接进入临界区执行；ANDANDAND 型和信号量集中，每次将某种资源的阻塞队列中所有进程全部唤醒，且在调度执行时重新进行检测执行 SwaitSwaitSwait 操作。

四、信号量的应用

4.1 进程互斥

  实现互斥就是在PPP、VVV操作之间加入临界操作，也就是在进入区和退出区之间加入临界区，这样就能实现进程互斥。

  • 1.利用信号量实现进程互斥

① 选择合适的信号量机制，将信号量 sss 初值设置为 1；
② 在进程中的进入区使用 PPP 操作，在退出区使用 VVV 操作。

  • 这里我们要注意：Var mutex: semaphore :=1，代表互斥信号量为1.
  • parbegin和parend这两句话中间的进程是可以并发的，没有这两句话，p1，p2，p3只是顺序执行

4.2 利用信号量实现前驱关系

  • 2.利用信号量实现前趋关系

① 创建进程，每个进程中分别包含对应的程序段或语句；
② 为每个构成前趋关系的进程对都设置一个公用信号量 s，且初值为 0；
③ 设有 Pi→PjPi→PjPi→Pj，则
在前趋进程 $Pi 中：语句或程序段; signal(s);
在后继进程 Pj中：wait(s); 语句或程序段;

4.3 利用记录型信号量实现同步


总结

期待大家和我交流，留言或者私信，一起学习，一起进步！

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