09-2009-操作系统第9讲：第3章进程管理(续3-互斥与同步)

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09 2009 操作系统第9讲：第3章进程管理(续3 互斥与同步)

●如果一个进程在执行期间，访问公用资源，若允许发生中断，则有可能导致前后计算出现不一致，为防止问题出现，需满足如下条件：
1. 空则让进，只允进1——指临界区空闲，允许一个进程进入。 2. 内可阻外，外不相扰——临界区只允许一个进程访问公用资源，临界区之外的其它进程互相之间不发生阻挠。 3. 限时等待——在限定时间内，必须进入临界区，以防止死锁发生。死锁是指各并发进程彼此相互等待对方所拥有的资源，且在得到对方资源之前，不会释放自己所拥有资源之现象。 4. 让权等待——当进程不能进入临界区时，应即通知CPU，以免陷入盲等。
2013-8-2 15
3.5 进程互斥与同步
八、互斥的负面影响，解决的途径与方法
目的在于避免因进程并发可能导致结果不可再现 1．软件的方法
●公用变量整型法 ●数组法 ●变量与数组混合算法软件的方法从理论上行的通，在方法上也有解决的途径，但却难以实现，因为要保证下一个并发进程的连续性，不被别的进程中断，需要对执行的下一步进行判断，从而导致计算机系统的整体性能下降，因而软件的方法是不可取的。
2．定义：在程序设计中，一种用来对共享系统资源进行控制的信号，即一种标志变量，信标向潜在的用户（进程）指明，某个文件或资源正在使用中，以防止除此之外的其它用户来访问它。引入信号量的目的，是为了服务于PV原语。 (744页中的英
汉双解词典解释)
3．说明: 与互斥相关的信号量叫公用信号量，与多个进程有关。与同步相关的信号量叫私有信号量，与2个进程有关。
2.一种可能的办法是对临界区加锁以实现互斥。当某个进程进入临界区之后，它将锁上临界区，直到它退出临界区时为止。并发进程在申请进入临界区时，首先测试该临界区是否是上锁的。如果该临界区已被锁住，则该进程要等到该临界区开锁之后才有可能获得临界区。

操作系统中的进程同步与互斥

操作系统中的进程同步与互斥进程同步和互斥是操作系统中重要的概念和技术。

在多道程序环境中，多个进程同时运行，但它们之间存在着共享资源、互相依赖等情况，因此需要进行同步和互斥处理。

本文将从互斥与同步的定义、需求、常用的同步与互斥机制等方面进行论述。

一、互斥与同步的定义互斥是指某个资源同时只允许一个进程访问，其他进程需要等待。

同步是指一组相关进程在执行过程中需要相互合作，按照一定顺序执行。

二、互斥与同步的需求1. 互斥：当多个进程同时访问一个共享资源时，若不进行互斥处理，可能会引发数据不一致、竞争条件等问题。

例如，多个进程同时对一个文件进行写操作，可能导致文件内容错乱。

因此，需要通过互斥来保证每个进程访问共享资源的独占性，避免冲突。

2. 同步：在某些情况下，多个进程需要按照一定顺序执行，以满足某种逻辑关系或条件。

例如，生产者-消费者问题中，生产者需要在缓冲区未满时才能生产，消费者需要在缓冲区非空时才能消费。

因此，需要通过同步来协调进程的执行顺序。

三、常用的同步与互斥机制1. 互斥机制：常用的互斥机制包括信号量、互斥锁和临界区等。

a) 信号量：是一种用于控制对共享资源的访问的机制。

通过定义一个信号量，以保证同一时间只有一个进程可以访问共享资源。

典型的信号量包括二进制信号量和计数信号量。

b) 互斥锁：是一种用于协调多个进程访问共享资源的机制。

通过对共享资源加锁，只有持有锁的进程才能访问该资源，其他进程需要等待。

常见的互斥锁有互斥量（Mutex）和读写锁（ReadWrite Lock）等。

c) 临界区：是指一段在并发执行环境中，对某种共享资源进行操作的代码段。

在进入临界区之前，进程需要获取临界区的访问权限，执行完临界区代码后，释放访问权限。

通过临界区机制，可以保证同一时间只有一个进程在执行临界区的代码。

2. 同步机制：常用的同步机制包括信号量、条件变量和屏障等。

a) 信号量：除了用于互斥机制，信号量也可以用于同步机制。

操作系统同步和互斥

操作系统同步和互斥操作系统中的进程之间的关系只有两种：同步与互斥。

下面由店铺为大家整理了操作系统的同步和互斥的相关知识，希望对大家有帮助!操作系统同步和互斥1.进程同步进程同步也是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。

进程间的直接制约关系来源于他们之间的合作。

比如说进程A需要从缓冲区读取进程B产生的信息，当缓冲区为空时，进程B因为读取不到信息而被阻塞。

而当进程A产生信息放入缓冲区时，进程B才会被唤醒。

2.进程互斥进程互斥是进程之间的间接制约关系。

当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。

只有当使用临界资源的进程退出临界区后，这个进程才会解除阻塞状态。

比如进程B需要访问打印机，但此时进程A占有了打印机，进程B会被阻塞，直到进程A释放了打印机资源,进程B才可以继续执行。

扩展：临界资源在操作系统中，进程是占有资源的最小单位(线程可以访问其所在进程内的所有资源，但线程本身并不占有资源或仅仅占有一点必须资源)。

但对于某些资源来说，其在同一时间只能被一个进程所占用。

这些一次只能被一个进程所占用的资源就是所谓的临界资源。

典型的临界资源比如物理上的打印机，或是存在硬盘或内存中被多个进程所共享的一些变量和数据等(如果这类资源不被看成临界资源加以保护，那么很有可能造成丢数据的问题)。

对于临界资源的访问，必须是互诉进行。

也就是当临界资源被占用时，另一个申请临界资源的进程会被阻塞，直到其所申请的临界资源被释放。

而进程内访问临界资源的代码被成为临界区。

对于临界区的访问过程分为四个部分：1.进入区:查看临界区是否可访问，如果可以访问，则转到步骤二，否则进程会被阻塞2.临界区:在临界区做操作3.退出区:清除临界区被占用的标志4.剩余区：进程与临界区不相关部分的代码临界资源使用规则：忙则等待、优先等待、空闲让进、让权等待(在临界区的进程，不能在临界区内长时间处于事件等待，必须在一定时间退出临界区)。

操作系统教程第3章-3 进程的同步与互斥

第16/51页
记录型信号量
抽象成 S（信号量）（信号量） value≥0 ≥ L=nil
一类资源
记录型信号量
信号量S 记录型数据结构,一个分量为整型量value, value,另信号量S：记录型数据结构,一个分量为整型量value,另一个分量为信号量队列 L；
第17/51页
信号量的物理含义
输入进程PI 进程
第4/51页
缓冲区
计算进程PC 进程
缓冲区
打印进程争关系(间接制约关系)的手段。是解决进程间竞争关系(间接制约关系)的手段。间接相互制约关系（互斥）间接相互制约关系（互斥）是指若干个进程同时竞争一个需要互斥使用是指若干个进程同时竞争一个需要互斥使用一个的资源时，任何时刻最多允许一个进程去使用，其的资源时，任何时刻最多允许一个进程去使用，他要使用该资源的进程必须等待，他要使用该资源的进程必须等待，直到该资源被释进程间要通过某种中介发生联系，无意识安放。进程间要通过某种中介发生联系，是无意识安排的。排的。产生的原因资源共享互斥是一种特殊的同步逐次使用互斥资源，逐次使用互斥资源，也是对进程使用资源次序上的一种协调。上的一种协调。
P、V操作既可以实现互斥，也可以实现同步、操作既可以实现互斥操作既可以实现互斥，
Swap(int lock, int key) { int temp; temp=lock; lock=key; key=temp }
交换指令的应用
int lock=0; 每个进程定义一个局部变量 int key; 进入临界区前执行：进入临界区前执行： key=1; do swap(lock, key) while key=0; 离开临界区后执行：离开临界区后执行： lock=0;

第三章进程管理进程同步与互斥

4
二.临界资源与临界区
在计算机中有许多资源一次只能允许一个进程使用，如果有多个进程同时去使用这类资源就会引起激烈的竞争，因此必须保护这些资源，避免两个或多个进程同时访问这类资源。临界资源：把一次仅允许一个进程使用的资源为临界资源。如独享设备、内存中的公共数据结构(如栈) 如独享设备、内存中的公共数据结构(如栈)、公共变量等都是临界资源。
20
V操作：V操作记为V(S)，其中S为信号量，操作：V操作记为V(S)，其中S 执行时主要完成的动作： (1)S=S+1 (2)若 (2)若S＞0，则进程继续执行。 (3)若S≤0,则从信号量等待队列中唤醒一个 (3)若S≤0,则从信号量等待队列中唤醒一个进程, 进程,再返回原进程继续执行或进程调度。
30
解:设empty为Pa私用信号量,full为Pb私 empty为Pa私用信号量,full为Pb私用信号量, empty初值为n(n为队列缓冲用信号量,令empty初值为n(n为队列缓冲区个数),full 初始为0 区个数),full 初始为0；程序描述： Pa deposit(data) Pb: remove(data) {… {… P(full) P(empty) data <- Buf(x) <Buf(x)<Buf(x)<-data V(empty) V(full) …} …}
7
三.两种形式的制约关系
在多道系统环境下，程序并发执行时，由于资源的共享和合作，使处于同一个系统的进程之间，只能存在着以下两种形式的制约关系。间接制约直接制约
8
(1) 间接制约定义:由于共享某一公有(系统) 定义:由于共享某一公有(系统)资源引起的在临界区内不允许并发进程交叉执行的现象; 执行的现象; 如两个进程A 如两个进程A，B都提出打印请求,不能都提出打印请求, 并发执行。间接主要指各并发进程速度受公有资源制约, 源制约,而不是进程间直接互相制约。

第三章进程管理同步和互斥

typedef struct semaphore
{
int value;
PCB *p;
}
18
进
程管
P(s)和V(s)操作原语
理
void P(s) struct semaphore s; { s.value=s.value-1; if (s.value<0)
block(s.p); }
void v(s) struct semaphore s; { s.value=s.value+1; if (s.value<=0)
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入口
入口
s.value=s.value-1
s.value=s.value＋1
s.value≥0
是
s.value<0 调度进程入等待队列
返回
否
s.value≤0
是唤醒等待队列中的一个进程
返回
转进程调度 P原语操作功能流程图
返回或转进程调度 V原语操作功能流程图
进
程管
记录型的信号量机制
理
是一个记录型的数据结构，包含两个数据项，一是记数值域，另一是等待该信号量的进程队列首指针域。描述如下：
块长等于缓冲区长度);
2)Pa往缓冲队列发送数据时,至少有一个
缓冲区是空的;
3)由Pa发送的数据块在缓冲队列中按先
进先出(FIFO)方式排列.
描述发送过程deposit (data)和接受过
管 S－1 理如果S－1以后仍大于等于零，则进程继续进
行如果S－1以后小于等于零，则将该进程阻塞
以后插入阻塞队列，然后转进程调度
V原语操作的主要动作
S＋1 如果相加后结果大于零，则继续进行相加后结果小于零，则从该信号的等待队列

操作系统中进程同步和互斥的实现方法

操作系统中进程同步和互斥的实现方法在操作系统中，进程同步和互斥是非常重要的概念。

它们确保了并发程序的正确性和可靠性。

本文将介绍进程同步和互斥的实现方法。

一、进程同步在多任务环境中，不同的进程之间存在着相互依赖和相互制约的关系。

进程同步是为了协调进程之间的交互，使得它们在适当的时间进行合作，共同完成任务。

1. 互斥锁（Mutex）互斥锁是最常见的进程同步机制之一。

它通过给临界资源加锁，保证同一时刻只有一个进程可以访问该资源。

当一个进程占用了互斥锁后，其他进程试图访问该资源时会被阻塞，直到锁被释放。

2. 信号量（Semaphore）信号量是一种更加通用的进程同步机制。

它是一个计数器，用来控制多个进程对共享资源的访问。

当信号量的值大于等于1时，进程可以访问资源；当值为0时，进程被阻塞。

通过对信号量的操作（P/V操作），可以实现进程之间的同步和互斥。

3. 条件变量（Condition Variable）条件变量用于实现进程间的同步和通信。

当一个进程等待某个条件满足时，可以调用条件变量的等待操作来挂起它的执行；当条件满足时，其他进程可以通过唤醒操作通知等待的进程继续执行。

二、进程互斥进程互斥是为了防止多个进程同时访问或修改共享资源而引发的竞争条件和数据不一致问题。

它保证了同一时刻只有一个进程可以对共享资源进行操作，从而避免了竞争和冲突。

1. 临界区（Critical Section）临界区是一段代码，其中包含对共享资源的访问和操作。

为了实现进程的互斥访问，可以使用互斥锁、信号量等同步机制来对临界区进行保护。

一次只允许一个进程进入临界区，其他进程必须等待。

2. Peterson算法Peterson算法是一种经典的实现进程互斥的算法。

它利用了共享的标志和转弯顺序来实现两个进程之间的互斥访问。

然而，Peterson算法只适用于两个进程之间的互斥，对于多个进程之间的互斥并不适用。

3. 同步屏障（Barrier）同步屏障是一种常用的进程互斥机制。

第三章进程管理之进程互斥与同步

临界资源：由不同并发进程共享的资源称为临界资源。
或：一次仅允许一个进程使用的资源.
临界区：把不允许多个并发进程交叉执行的一
段程序称为临界部分或临界区。
或包含临界资源的最小代码段程序称为临界区。
进程间的关系： 1.无任何关系
2.间接制约关系 3.直接制约关系间接制约：由于共享某一共有资源而引起的在临界区内不允许并发进程交叉执行的现象，称为由共享共有资源而造成的对并发进程执行速度的间接制约，简称间接制约。
并发进程间,各自的执行结果互为对方执行的条件,从而限制各进程的执行速度的过程称为进程间的直接制约.
同步：
指多个合作进程为了完成同一个任务,使得一个进程的执行依赖于另一个进程的消息,它们相互合作相互等待,使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的
同步.
**有同步关系的进程称为合作进程.合作进程间互相发送信号称为消息或事件.
进程的互斥
例：过独木桥。
P1
P2
P1 { 由西向东过独木桥； }
P2 { 由东向西过独木桥； }
进程互斥举例：
生产围棋的工人不小心把相等数量的黑子和白子混装载一个箱子里，现要用自动分拣系统把黑子和白子分开，该系统由两个并发执行的进程组成，功能如下：（1）进程A专门拣黑子，进程B专门拣白子；（2）每个进程每次只拣一个子，当一个进程在拣子时不允许另一个进程去拣子；
生产者-消费者问题
信号量：公用信号量、私用信号量
(1) 私用信号量avail=？ full=？设信号量avail为生产者进程的私用信号量; 信号量full为消费者进程的私用信号量。 avail=n ; full=0
(2)公用信号量mutex=？用于？

操作系统原理进程管理进程同步互斥与通信、死锁

同步
多个进程因为合作产生的直接制约关系，使得进程有一定的先后执行关系。
互斥
多个进程在同一时刻只有一个进程能进入临界区。
信号量与PV操作
信号量
一个整型变量，可以对其执行P操作和V操作，常用于实现进程同步与互斥。
PV操作
对信号量的操作，P操作表示申请资源，V操作表示释放资源。
实现原理
通过信号量的增减来控制进程的执行顺序，实现同步与互斥。
经典同步问题解析
生产者消费者问题
生产者生产产品放入缓冲区，消费者从缓冲区取出产品消费，需要保证生产者和消费者的同步与互斥。
哲学家进餐问题
五个哲学家围坐在一张圆桌旁，做思考和进餐两件事情，需要保证每个哲学家在拿起左右两只筷子时不会发生死锁。
读者写者问题
允许多个读者同时读文件，但只允许一个写者写文件，需要保证读者和写者之间的同步与互斥。
03
进程通信
进程通信方式
01
共享内存
允许多个进程访问同一块内存空间，进程间通过读写共享内存中的数据进行通信。
消息传递
02
03
管道通信
进程间通过发送和接收消息进行通信，消息可以包含数据、控制信息等。
管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，通常用于父子进程间的通信。
消息传递机制
直接通信方式
信。
共享内存
共享内存允许多个进程访问同一块内存空间，进程间通过读写共享内存中的数据进行通信。使用共享内存进行通信时，需要注意同步和互斥问题，以避免数据不一致和竞争条
件等问题。
04
死锁问题
死锁概念及产生原因
死锁概念
死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法向前推进。

第三章进程的同步与互斥

互斥问题举例
对于例2，可以采用下列方法解决“与时间有关的错误”：针对临界资源机票库设置一个信号量mutex，初值为1。每个终端进程中的程序描述如下： P（mutex）；在机票数据库中取出当前剩余票数X；判断X>0（有票吗）？如果有， X≥N（票够吗）？如果够，则出票（打印票据）； X＝X－N（修改剩余票数）；将X回写到数据库中； V（mutex）；如果终端A先来，对mutex进行P操作后，进入临界区，此时 mutex为0。当它还没有处理完毕时，其它任何终端到来都因其执行P(mutex)后被阻塞，直到终端A执行了V(mutex)后将它们唤醒后才能进入其临界区对x进行操作，从而保证了只有一个进程进入临界区，避免了“与时间有关的错误” 的发生。
哲学家就餐问题
• 容易导致死锁如果所有的哲学家在同一时刻都感到饥饿，他们都坐下，都拿起左边的叉子，都伸手拿右边的叉子，但都没拿到。则所有的哲学家都会饿死
哲学家就餐问题
为防止死锁发生可采取的措施： • 最多允许4个哲学家同时坐在桌子周围 • 仅当一个哲学家左右两边的筷子都可用时，才允许他拿筷子 • 给所有哲学家编号，奇数号的哲学家必须首先拿左边的筷子，偶数号的哲学家则反之 • 为了避免死锁，把哲学家分为三种状态，思考，饥饿，进食，并且一次拿到两只筷子，否则不拿
售票员 P2 while (true) { 关门；售票；开门； }
进程的互斥（间接作用）
进程的互斥:mutual exclusion 由于各进程要求共享资源，而有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥临界资源：critical resource 系统中某些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临界区（互斥区）：critical section 在进程中涉及到临界资源的程序段叫临界区多个进程的临界区称为相关临界区

进程互斥与同步

第三章进程互斥与同步
互斥-信号量机制
1965年由荷兰的Dijkstra提出信号量( semaphore ) 是一种软件不忙等待法信号量机制的类型
– 经典信号量(忙等待) – 记录型信号量(使用不当可能会造成死锁)
– 信号量集(资源利用率低)
记录型信号量的定义
数据结构 typedef struct semaphore { int value; PCB * P; } S; //定义信号量的结构体及变量S
哲学家进餐问题(2/4)
一种解法 struct semaphore chopstick[5]={1,1,1,1,1}; 第i个哲学家的并发程序为 while ( 1 ){ think() ; P ( chopstick[i] ); //想拿左边的叉子 P ( chopstick[ (i+1) mod 5] ); //想拿右边的叉子 eat () ; V ( chopstick[i] ); //放下左边的叉子 V ( chopstick[ (i+1) mod 5] ); //放下右边的叉子 }
P-V操作原语
P(S)操作原语 void P( struct semaphore S ) { S.value --; if ( S.value < 0 ) block( S.P); //阻塞调用进程,在S.P中排队
}
P操作的主要动作： ①s值减1； ②若相减结果>=0，则进程继续执行； ③若相减结果<0，则进程被封锁，并将它插入到该信号灯的等待队列之中，然后转进程调度程序。
P1 P2 P3 . Pk. C1
0
1
2
…
….
…
…
n-1
C2 C3 .

操作系统进程互斥及同步互斥PPT课件

39共享缓冲区的计算进程与打印进程的同步计算进程cp和打印进程iop公用一个单缓冲缓冲区bufiopcp10直接制约直接制约一组在一组在异步环境异步环境下下的并发进程的并发进程各自各自的执行结果的执行结果互为对方的执行条件互为对方的执行条件从从而而限制限制各进程的执行速度的过程称为各进程的执行速度的过程称为并发进程间的并发进程间的直接制约直接制约
负值)。
第15页/共38页
P 操作
P 操作的定义对信号灯s的 p操作记为 p(s)。p(s)是一
个不可分割的原语操作，即取信号灯值减1，若相减结果为负，则调用p(s)的进程被阻，并插入到该信号灯的等待队列中，否则可以继续执行。
第16页/共38页
4
P 操作的实现
入口
S-1 → S
≥0 S≥0 ?
第28页/共38页
互斥举例1：
x代表某航班机座号，pa和pb两个售票进程，售票工作是对变量x加1。试用信号灯的P、V操作实现这两个进程的互斥。
第29页/共38页
5
设：mutex为互斥信号灯，初值为1。
pa( ) {
p(mutex)；
x:=x+1 ； v(mutex)；
}
pb( ) {
p(mutex)；
•⑵．给出一个购票者进程的算法。
•⑶．给出当购票者最多不超过n (设n>20)个时，信号量可能的变化范围。
35
第35页/共38页
算法描述
⑴．主函数算法：
⑵．购票者i的算法：
main()
Pi()
{
{
int mutex=20;
P(mutex);
cobegin
购票；
P1(); …Pi();…Pn();

进程的互斥与同步

进程的互斥与同步=问题---采用多道程序设计技术的操作系统，允许多个进程同时驻留内存并发执行。

---如何协调多个进程对系统资源，如内存空间、外部设备等的竞争和共享？---如何解决多个进程因为竞争资源而出现执行结果异常，甚至导致系统不稳定，失效等问题？---例如，多个进程同时申请文件打印，如何有效分配打印机？=并发控制+竞争资源---当并发进程竞争使用同一资源时，他们之间就会发生冲突。

---如果操作系统把资源分配给其中某个进程使用，另一个进程就必须等待，直到申请的资源可用时，由操作系统分配给他。

---如果竞争某资源的进程太多，这些进程还必须等待在一个队列中，如就绪队列，阻塞队列等。

---一种极端的情况是，被阻塞的进程永久的不到申请资源，而死锁。

---进程竞争资源首先必须解决“互斥”问题。

某些资源必须互斥使用，如打印机、共享变量、表格、文件等。

---这类资源又称为临界资源，访问临界资源的那段代码称为临界区。

---任何时刻，只允许一个进程进入临界区，以此实现进程对临界资源的互斥访问。

=互斥使用临界资源---当进程需要使用临界资源时，通过获得临界区的使用权实现的。

---首先，在“进入区”判断是否可以进入临界区，如果可以进入，则必须设置临界区使用标志，阻止后来的其他进程进入临界区。

后来的进程通过查看临界区使用标识，知道自己不能进入临界区，就进入阻塞队列将自己阻塞。

---当临界区内的进程使用完毕，退出临界区时，即在“退出区”修改临界区使用标志，并负责唤醒阻塞队列中的一个进程，让其进入临界区。

---由于一个临界资源在多个共享它的进程中将对应多个临界区，那么怎样才能保证诸进程间互斥的执行临界区呢？---这就必须保证“临界区使用标志”是可被系统中的所有进程共享的全局变量，而且诸进程对该标志的修改操作必须互斥进行。

=临界区使用原则（也称为互斥条件）---每次只允许一个进程进入临界区（忙则等待）---进程只能在临界区逗留有限时间，不得使其他进程在临界区外无限等待（有限等待）---如果临界区空闲，则只要有进程申请就立即让其进入（空闲让进）---进入临界区的进程，不能在临界区内长时间阻塞等待某事件，必须在一定期限内退出临界区（让权等待）---不得限制进程的执行进度及处理机的数量。

操作系统进程管理三互斥和同步二

while TS(&lock); critical section lock = FALSE; remainder section
• 利用TS实现进程互斥：每个临界资源设置一个公共布尔变量lock，初值为FALSE • 在进入区利用TS进行检查：有进程在临界区时，重复检查；直到其它进程退出时，检查通过；
Test-and-Set指令
该指令读出标志后设置为TRUE boolean TS(boolean *lock) { boolean old; old = *lock; *lock = TRUE; return old; } lock表示资源的两种状态：TRUE表示正被占用， FALSE表示空闲
6
互斥算法（TS指令）
记录型信号量和wait、signal原语
• 信号量是一个确定的二元组（value, L）， value 是一个具有非负初值的整型变量，L 是一个初始状态为空的队列。 • value代表资源的实体。在实际应用中应准确地说
明s的意义和初值;
– 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
第n个缓冲区
•Empty:有多少空缓冲区，初值为n； •Full：有多少带数据的缓冲区，初值为0
B[n-1]
生产者消费者问题（续4）
4 用信号量实现进程的同步--生产者－消费者问题
• 我们把上面的例子扩充，假定缓冲区 buffer 是一个有界缓冲区，可存放 n 个数据，同时假定有 n 个 CP 进程不断地产生数据，并送 buffer ；有 m 个 IOP 进程从缓冲区中取数据打印。 • 在我们生活中有很多这样的例子。

操作系统第3章进程同步与死锁

3.1 进程的并发
3.1.3 临界资源与临界区
临界区(critical section)：临界段，在每个程序中，访问临界资源的那段程序。
注意：临界区是对某一临界资源而言的，对于不同临界资源的临界区，它们之间不存在互斥。
如有程序段A、B是关于变量X的临界区，而C、D是关于变量Y的临界区，那么，A、B之间需要互斥执行， C、D之间也要互斥执行，而A与C、B与D之间不用互斥执行。
第3章进程同步与死锁
内容提要
在多道程序环境下，系统中存在着多个进程，在运行时，它们之间存在着既竞争又合作的关系，表现为进程的互斥与同步关系。如果系统资源分配不当，将会出现若干个进程相互等待被对方占有的资源，而无法继续运行下去，系统产生死锁。本章主要讨论进程互斥与同步的概念、临界资源与临界区的概念、信号量机制、经典同步问题与管程的概念，分析了死锁产生的原因以及处理死锁的相关策略，并介绍了进程的高级通信。最后概述了 Linux 系统的同步与互斥实现机制。本章是操作系统课程的核心内容。
3.1 进程的并发
3.1.3 临界资源与临界区
进程进入临界区的准则： 1. 空闲则入。 2. 忙则等待。 3. 有限等待。
4. 让权等待。
3.1 进程的并发
3.1.3 临界资源与临界区
临界区的调度原则如下： 1. 当无进程在临界区时，允许一进程立即进入。每个进入临界区的进程只能在临界区内逗留有限的时间。 2. 若已有进程在临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待。 3. 当进程退出临界区时，若有等待进入临界区的进程，则应允许其中一个立即进入。
3.2 进程的互斥与同步
3.2.1 进程互斥的实现 1. 实现进程互斥的软件方法
(1) 算法1：有两个进程P0 、P1可以并发执行。设一公用整型变量 turn, 其初值为 0, 用来描述允许进入临界区的进程标识。每个进程都在进入区循环检查变量 turn 是否允许它进入，即 turn 为 0 时， P0 可进入， turn为1时，P1可进入,否则循环检查该变量，直到turn 变为本进程的标识。在退出区修改允许进入临界区标识turn，允许另一个进程进入临界区。

操作系统原理进程管理进程同步互斥与通信死锁

信号量通信方式信号量是一种用于控制多个进程对共享资源的访问的计数器，通过P、V操作实现进程间的同步与互斥。信号量通信方式适用于解决并发进程间的同步问题，但不适用于大量数据的交换。
共享内存通信方式
01
共享内存的优势
02
共享内存允许多个进程直接读写同一块内存空间，避免了数据的复制和传输，提高了数据交换的效率。
消息传递通信方式具有较好的灵活性和可靠性，可以满足不同进程间异步或同步的通信需求。
通过定义一组通信协议和数据格式，实现发送和接收消息的功能。常见的消息传递系统有管道、队列、信号量等。
在消息传递通信中，也需要引入同步和互斥机制，以确保消息的正确传递和处理。
06
实例分析
银行家算法实例分析
总结词
信号量机制与PV操作
信号量机制
信号量机制是一种用于实现进程同步和互斥的机制，它提供了一组PV操作（P操作和V 操作）来控制进程对共享资源的访问。
PV操作
PV操作是信号量机制中的两个基本操作，P操作表示进程请求资源，V操作表示进程释放资源。当多个进程同时访问共享资源时，通过PV操作可以实现进程的同步和互斥，
银行家算法是一种避免死锁的资源分配策略，通过确保系统在任何时候都处于安全状态来避免死锁。
详细描述
银行家算法以银行借贷系统的原理为基础，对资源的分配进行严格控制。在操作系统中，当一个进程请求资源时，系统会检查是否满足其请求而不导致死锁。如果满足，则分配资源；如果不满足，则暂时不分配资源，直到资源被释放并能够满足请求。
03
进程同步与互斥
进程同步的概念与实现
进程同步的概念
进程同步是操作系统中实现多个进程协同工作的机制，通过同步机制，使得各个进程能够按照一定的顺序和规则执行，以达到共同完成一项任务的目的。

计算机操作系统(第三章)_3.5(进程的互斥及同步)

如果两个进程的执行顺序为：
P1: R1=x; R1=R1+1; x=R1; P2: R2=x; R2=R2+1; x=R2
time
第三章进程管理
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如果两个进程的执行顺序为：
P1: R1=x; R1=R1+1; x=R1; P2: R2=x; R2=R2+1; x=R2
time
第三章进程管理
： B预订该机座；
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第三章进程管理
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并发进程互斥必须满足的原则
(1) 不能假设各并发进程的相对执行速度。即各并发进程
享有平等的、独立的竞争共有资源的权利，且在不采取任何措施的条件下，在临界区内任一指令结束时，其他并发进程可以进入临界区。 (2) 并发进程中的某个进程不在临界区时，它不阻止其他进程进入临界区。(空闲让进） (3) 并发进程中的若干个进程申请进入临界区时，只能允许一个进程进入 (4) 并发进程中的某个进程申请进入临界区时开始，应在有限时间内得以进入临界区准则(1)，(2)，(3)是保证各并发进程享有平等的、独立的竞争和使用公有资源的权利，且保证每一时刻至多只有一个进程在临界区。而准则(4)则是并发进程不发生死锁（将在后面讲述）的重要保证。
的管理办法，以制约并发进程。这就是互斥
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第三章进程管理
第15页
３．互斥
定义: 一组并发进程中的一个或多个程序段，因共享某一公有资源而导致它们必须以一个不允许交叉执行的单位执行。也就是说，不允许两个以上的共享该资源的并发进程同时进入临界区称为互斥。一般情况下，作为程序段的一个过程不允许多个进程共同访问它。
生产者消费者1.exe

进程互斥与同步

进程互斥与同步
1、并发与并⾏是两个既相似⽽⼜不相同的概念：
并发性，⼜称共⾏性，是指能处理多个同时性活动的能⼒；
并⾏是指同时发⽣的两个并发事件，具有并发的含义，⽽并发则不⼀定并⾏，也亦是说并发事件之间不⼀定要同⼀时刻发⽣。

两者区别:⼀个是交替执⾏,⼀个是同时执⾏.
2、进程之间存在同步和互斥两种关系
同步是因合作进程之间协调彼此的⼯作⽽控制⾃⼰的执⾏速度，即因相互合作，相互等待⽽产⽣的制约关系。

⽽互斥是进程之间竞争临界资源⽽禁⽌两个以上的进程同时进⼊临界区所发⽣的制约关系。

3、互斥指的是某种资源⼀次只允许⼀个进程使⽤，即在你使⽤的时候我不能⽤，我使⽤是时候你不能⽤，这是⼀种协调⼀种同步
4、如果在⼀个进程集合中的每个进程都在等待只能由该集合中的其他进程才能引发的事件，⽽⽆限期僵持的局⾯称死锁。

⼀个可运⾏进程由于其他进程总是优先于它，⽽被⽆限期拖，延⽽不能被执⾏的现象称饥饿。

死锁进程必然处于饥饿状态，但处于饥饿状态的进程未必陷⼊死锁。

5、每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区，每次只准许⼀个进程进⼊临界区，进⼊后不允许其他进程进⼊。

如果有若⼲进程要求进⼊空闲的临界区，⼀次仅允许⼀个进程进⼊。

任何时候，处于临界区内的进程不可多于⼀个。

如已有进程进⼊⾃⼰的临界区，则其它所有试图进⼊临界区的进程必须等待。

进⼊临界区的进程要在有限时间内退出，以便其它进程能及时进⼊⾃⼰的临界区。

如果进程不能进⼊⾃⼰的临界区，则应让出CPU，避免进程出现“忙等”现象。

第三章进程管理2(同步和互斥1)

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发送和接送过程满足的条件是： 1)在Pa至少送一块数据入一个缓冲区之前,Pb不可能从缓冲区中取出数据(假定数据块长等于缓冲区长度); 2)Pa往缓冲队列发送数据时,至少有一个缓冲区是空的; 3)由Pa发送的数据块在缓冲队列中按先进先出(FIFO)方式排列. 描述发送过程deposit (data)和接受过程remove (data) .
23
用信号量机制解决前趋图问题
方法：
若图中存在结点S1指向结点S2的有向边，表示进程P1中的程序段S1应该先执行，而进程 P2中的程序段S2后执行。设置一个信号量s,初值为0，将V(s)放在S1后面，而在S2前面先执行 P(s)。
S1 S1
s
S2
进程P1的语句序列为：S1;V(s) 进程P2的语句序列为：P(s);S2
procedure c begin L2: 想取产品 P(s2); 取产品； V(s1); goto L2; end Coend End
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2）发送进程和接收进程的同步问题利用信号量可以解决合作进程之间的同步。例：设进程Pa,Pb通过缓冲区队列传送数据
Pa
BUF1
BUF2
.….
BUFn
Pb
4
加锁法
一种可能的办法是对临界区加锁以实现互斥。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]表示锁定位属于类名为Ｓ的临界区。加锁后的临界区程序描述如下： lock ( key[S] ) <临界区> unlock( key[S] )
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s.value的物理含义
当s.value>0数值时，表示某类可用资源的数量。而当s.value<0数值时，表示该类资源已分配完。若有进程请求该类资源，则被阻塞，其绝对值等于等待该类资源的进程数。每次的P(s)操作，意味着进程请求分配该类资源的一个单位资源。相反，执行一次V(s) 操作意味着进程释放相应资源的一个单位资源。当值小于等于0时，表明有进程被阻塞，需要唤醒。

操作系统-进程互斥与同步

同时进入！
inside2 = false; /* remainder section*/
/* remainder section*/ }
}
临界区管理的尝试
26
Boolean inside1 = false; Boolean inside2 = false;
Process P1() {
1
Process P2() {
执行序列3
[register1=5] [register1=6] [register2=5] [register2=4] [counter=4] [counter=6]
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结果不唯一（例2）
P1: a = a +1; b = b + 1;
P2: b = 2 * b; a = 2 * a;
a =b=1;
inside1 = true;
while(inside2);
3 Blocked!
同时阻塞!
inside2 = true;
while(inside1); /* critical section */ inside2 = false; /* remainder section*/
2
/* critical section */ inside1 = false;
T0: 生产者执行 T1: 生产者执行 T2: 消费者执行 T3: 消费者执行 T4: 消费者执行 T5: 生产者执行
register1=counter; register1=register1+1; register2=counter; register2=register2-1; counter=register2; counter=register1;

09-2009-操作系统第9讲：第3章进程管理(续3-互斥与同步)