T第2章进程2同步演示

2．3 进程同步2．3．1 进程同步的基本概念1．两种制约关系间接制约直接制约竞争条件:两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序，就称为竞争条件(Race condition竞争面临三个控制问题：⑴互斥互斥（mutual exclusion）定义为共享某资源的各进程不能同时进行同一操作。

互斥也可看作是一种特殊的同步关系。

实现互斥要有工具。

⑵死锁例如，考虑两个进程P1和P2，以及两个资源R1和R2，假设每个进程为执行部分功能都需要访问这两个资源，那么就有可能出现操作系统将R1分配给P2，把R2分配给P1，每个进程都在等待另一个资源，并且在获得其他资源并完成需要这两个资源的功能前，谁也不会释放自己已经拥有的资源，这两个进程发生死锁。

⑶饿死避免无限延迟——在任何系统中，只要在进行资源分配和进程调度的决策时，使某些进程等待，就可能在其它进程都得到系统服务的情况下，使得对某个进程的资源分配或调度无限推迟。

无限延迟实际上等于死锁。

避免无限延迟最好采用时效概念:即在一个进程等待一个资源时，应将这个进程的优先级不断提高，最后，它的优先级是如此之高，以致这个进程必定能得到它正等待的资源。

2．临界资源——P48一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源(Critical Resource)。

如打印COUNT。

此时两个进程各自对COUNT 作了加操作，而COUNT 增加了2。

如果执行是另一种顺序。

虽然两个进程也各自对COUNT 作了加1操作，但COUNT 却只增加了1。

为了预防这种错误，COUNT 这个公用变量应按临界资源处理。

诸进程进入临界区时必须互斥，即当P1进入临界区时，不管它对COUNT 进行什么操作，必须它退出后这段临界区后，才允许P2访问自己的临界区。

这就叫操作不可分割。

p1：return ptr1：=ptr ； 获得第一个缓冲区的PTRptr ：=tail(ptr)； 指针指向下一个p2：reture ptr2：=ptr ； 获得第二个缓冲区的PTRptr ：=tail(ptr)； 指针指向第三个但如果程序顺序是：p1：return ptr1：=ptr ； 获得第一个缓冲区的PTR发生时钟中断：p2：reture ptr2：=ptr ； 也获得第一个缓冲区的PTRp1：ptr ：=tail(ptr)； 指针指向第二个PTRp2：ptr ：=tail(ptr)； 指针指向第三个PTR3．临界区(Critical Section)在每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区，或叫临界段(互斥段)它能够从概念上分离出来，。

显然，若能保证诸进程互斥地进入自己的临界区，便可实现它们对临界资源的互斥访问。

为此，必须在临界区前面增加一段用于进行上述检查的代码，把这段代码称为进入区（entry section ）。

相应地，在临界区后面也要加上一段称为退出区（exit section ）的代码，用于将临界区正被访问的标志恢复为未被访问标志。

until false4．同步机制应遵循的准则为实现进程互斥，可利用软件方法，也可在系统中设置专门的同步机制来协调诸进程，但所有的同步机制都应遵循下述四条准则：⑴ 空闲让进。

⑵ 忙则等待⑶ 有限等待——无限延迟、饿死⑷ 让权等待5．进程间通过通信的合作——同步在计算机系统中，为了完成某一个任务，进程之间要协作。

例如，为了把原始的一批记录加工成当前需要的记录创建了两个进程，即进程A和进程B。

进程A启动输入设备不断地读记录，每读出一个记录就交给进程B去加工，直至所有记录都处理结束。

为此，系统设置了一个容量为能存放一个记录的缓冲区，进程A把读出的记录存入缓冲区，进程B从缓冲区取出记录加工，如下图所示：用进程互斥的办法不能克服上述两种错误，采用互通消息的办法来控制执行速度，使相互协作的进程正确工作。

这就是进程间的同步问题。

同步（synchronization）定义为关于进程间合作时操作的时间顺序的限制。

同步指系统中多个进程中发生的事件存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务。

具体说，一个进程运行到某一点时要求另一伙伴进程为它提供消息，在未获得消息之前，该进程处于等待状态，获得消息后被唤醒进入就绪态进程同步的主要任务，是保证相互合作的诸进程在执行次序上的协调，不会出现与时间有关的差错。

互斥和同步的区别：一个只要不同时发生就行，谁先谁后看排队、优先级；一个是动作要有严格的时间顺序。

补充：实现临界区互斥的锁操作方法1．关闭中断2．设置锁变量在测试与设置方法中，设置个变量w来代表某种临界资源的状态，因此w 又成为锁或锁位。

w=0 表示资源空闲(可用)w=1 表示资源已被使用关锁原语：lock(w)；L：if w=1 then goto Lelse w：=1；开锁原语：unlock(w)；w：=0；大家注意：由于原语执行时不可分割（或中断）。

考虑三个进程P1：P2：P3：1；2；3；指令IBM360/370采用汇编实现LOCK(X)TS X 测试锁位并置1，送PSW(条件码)BNZ *-4 不为0，往回跳4字节，继续执行TSX。

UNLOCK(X)MVI X，’00’Intel 8086/8088 汇编指令也能实现锁原语。

OCK PROC FAR;汇编语言的过程保留字MOV AL，1；将1送入AL寄存器AGAIN：XCHG AL，FLAG ；交换指令，状态进入AL，FLAG=1关锁TEST AL，AL；测试AL，看状态是什么JNZ AGAIN；AL=1时回跳(FLAG=1)RET；返回主程序UNLOCK PROC FAR；开锁MOV FLAG ，0；FLAG=0RET；修改后的关锁和开锁原语为：lock w：begin if w=1then beginblock(n)；insert(wL，n)；schedulere ndelse w：=1end；unlock w：begin if wthen beginremove(wL，q)；states(q)：=‘readya’；insert(RL，q)end；w：=0end；2．3．2 信号量机制(semaphores machinist)在实际的操作系统中，是采用P、V操作。

P、V是荷兰语Passeren和Verhoog的头一个字母，在英语中对应Wait（DOWN、SLEEP）与Signal （UP、WAKEUP），它是由荷兰的Dijkstra提出的一种方法。

P和V是两个原语(两个过程段，原子操作)在信号量上的操作。

1．信号量信号量是表示资源的物理实体，是一个与队列有关的整型变量。

在类pascal 中，将它表示为一个记录。

type semaphore=recordval：integer；值域L：pointer；指针域end；在类C中应是一个结构体：struct semaphore{ int valume;struct PCB *p;}s;信号量实际是一个计数锁(广义锁)，它的值只能由P、V操作来改变。

2．P、V操作(计数信号量机制)第一类:p(semphore s)；{s.value=s.value-1；if（s.value<0）block(S.L)}v(semaphore s){s.value：=s.value+1；if (s.value<=0)wakeup(S.L)}第二类:WAIT、SIGNAL操作(计数信号量机制)wait(semphore s){ lock out interrupt；s.value=s.value-1；if （s.value<0）{ 该进程状态置为等待状态将该进程的PCB插入相应的等待队列末尾s.queue；重新调度scheduler；//重新分配CPU}}signal(semaphore s){s.value=s.value+1；if (s.value<=0) //等待队列不空{ 唤醒相应等待队列s.queue中等待的一个进程改变其状态为就绪态，并将其插入就绪队列}}P、V操作必须是原语，执行期间不可分割。

P、V操作的物理意义：P操作：信号量s可以看成一个资源量。

如果有进程对s进行P操作就是申请该资源的一个单位(申请一台打印机)，所以进行一次P操作，s.value要减1(减少一个资源)。

进行到最后S分配完毕(s.value=0)，再有进程申请资源(进行P(s))，使s.value<0，没有资源，进程只好等待，就把这个进程放进打印机等待队列。

s.value负数的绝对值，表明在该信号量上阻塞的进程数。

s.value>0 其值为剩余(尚有)资源s.value=0 无资源，无等待进程s.value<0 s.value的绝对值即为等待该资源的进程数。

V操作：表示释放资源，s.value=s.value+1。

如果s.value<=0，说明此资源释放时有进程阻塞，因此要唤醒一个进程，把资源给它，让它去就绪队列中等CPU。

2．3．3 信号量的应用PV操作把售票管理进程的工作引入信号量机制。

用P、V操作限制进程进入临界区，引入信号量mutex（mutual exclusion--互斥），其初值为1。

mutex：semaphore；mutex.value：=1；cobeginrepeat t1(x)；repeat t2(x)；coend；procedure t1(x)var x：integer；beginp(mutex)；read(x)；if x>=1 then x：=x-1；write(x)；V(mutex)end；procedure t2(x)；var x：integer；beginP(mutex)；read(x)；if x>=1 then x：=x-1；write(x)；V(mutex)；end；Hansen提出并行PASCAL语言之前，Dijkstra提出：COBEGINS1；S2；S3；……；SnCOENDP、V操作在这里起到了lock和unlock的作用，实现了互斥。

2．进程的同步为了把原始的一批记录加工成当前需要的记录，进程A启动输入设备B去加工，直至所有记录都处理结束。

为此，系统设置了一个容量为能存放一个记录的缓冲区，进程A把读出的记录存入缓冲区，进程B从缓冲区取出记录加工，如下图所示：进程采用互通消息的办法来控制执行速度，使相互协作的进程正确工作。

同步（synchronization ）定义为关于进程间合作时操作的时间顺序的限制。

在许多进程之间存在一种相互合作的关系。

就像在生产流水线上，后一道工序开始之前，前一道工序必须完成，这两道工序之间是相互合作关系。

这是进程间的直接制约关系。