第4章 进程同步与死锁
4.2 进程同步习题
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【例】现有4个进程R1,R2,W1,W2。它们共享 可以存放一个数据的缓冲器B。进程R1每次把磁 盘上读出的一个数据存到缓冲器B中,供进程W1 打印输出;进程R2每次从键盘上读一个数据存放 到缓冲器B,供W2打印输出。当一个进程把数据 存放到缓冲器后,在该数据还没有打印输出之前 不准任何进程再想缓冲器中存数据。当一个进程 已把缓冲器中的数据打印输出后,在缓冲器中还 没有存如新数据之前不准任何进程再从缓冲器中 取数打印。问怎样用PV操作使这4个进程并发执 行时能相互协作地工作?
• Semaphore Customers = 0; • Semaphore Barber = 0; • Mutex accessSeats = 1; • int NumberOfFreeSeats = N; //total number of seats
Customer() { while(true) Barbers() { { P(accessSeats); //lock while(true) if(NumberOfFreeSeats >0) { { P(customers); NumberOfFreeSeats--; //等待顾客,睡眠 V(customers);//通知理发师 P(accessSeats); //lock V(accessSeats);//unlock NumberOfFreeSeats++; P(barbers);//等待理发师 V(accessSeats); //unlock 顾客理发 理发中… } V(barbers) ; else }//while V(accessSeats); } }//while }
3 两个进程可以改为 semaphore S1=1 semaphore S2=0 Process X L1:P(S1) 使用资源r V(S2) goto L1
第二讲 进程管理(1)--进程控制
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N=account;
N=N+200; account=N;
建立一个能够描述程序的执行过程并且能用来共享资 源的基本单位。
2.1.5 进程的定义和特征
一、进程(Process) 进程是程序在一个数据集上的运行过程,是系统 进行资源分配和调度的一个独立单位。
其它定义:
进程是程序的一次执行。 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所 发生的活动。 进程是进程实体的运行过程,是系统进行资源分配 和调度的一个独立单位”。
2.2 进程的描述
系统中需要有描述进程存在和能够反映其变化的物理实体,即进程的静态 描述。进程的静态描述由三部分组成:进程控制块PCB,有关程序段和该 程序段对其进行操作的数据结构集。
进程控制块PCB包含了有关进程的描述信息、控制信息以及资源信息,是 进程动态特征的集中反映。 系统根据PCB感知进程的存在和通过PCB中所包含的各项变量的变化,掌 握进程所处的状态以达到控制进程活动的目的。
21
2.2.1 进程控制块
4)进程控制信息:
程序和数据的地址——指程序和数据所在的内存或外存首地址; 进程同步和通信机制——如信号量、消息队列指针等,它们可能全 部或部分地存放在PCB中; 资源清单——是一张列出了除CPU外的、进程所需的全部资源及已 经分配到该进程的资源的清单; 链接指针——它给出本进程(PCB)所在队列中下一个进程的PCB的 首址。
27
2.3.1 进程的基本状态
进程的挂起/解挂状态
一、设臵原因
1、用户需要 :中间结果与预期不符; 2、操作系统需要:系统某些功能故障; 3、系统负荷过重 4、父进程需要 5、对换的需要
二、设臵挂起状态后进程状态的转换
进程间同步的几种方法
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进程间同步的几种方法进程间同步是指两个或多个进程之间进行协调,以确保它们能够正确地执行。
这是多任务操作系统中的重要问题,因为进程之间共享资源,包括内存、文件和网络连接等。
进程同步的关键是确保一组进程在处理共享资源时,能够避免发生竞态条件(Race Condition)和死锁(Deadlock)。
竞态条件指多个进程同时访问共享资源,导致不正确的结果。
死锁指多个进程互相等待,导致它们都无法继续执行。
1. 互斥锁互斥锁是最常见的同步方法之一,它被用来保护共享资源,确保同一时刻只有一个进程可以访问它。
当一个进程获取了锁,其他进程必须等待,直到锁被释放。
在 POSIX 系统中,互斥锁可以通过 pthread_mutex_t 数据类型实现。
我们可以使用pthread_mutex_init() 函数初始化锁,使用 pthread_mutex_lock() 函数获取锁,使用pthread_mutex_unlock() 函数释放锁。
下面是一个例子,展示了如何使用互斥锁同步两个进程对共享变量的访问:```c#include <pthread.h>#include <stdio.h>int count = 0;pthread_mutex_t lock;void *increment(void *arg) {for (int i = 0; i < 1000000; i++) {pthread_mutex_lock(&lock); // 获取锁count++;pthread_mutex_unlock(&lock); // 释放锁}return NULL;}在上面的例子中,我们创建了两个线程,它们分别对共享变量 count 进行了一百万次的递增操作。
我们使用了互斥锁来保护 count 变量,确保同一时刻只有一个线程可以访问它。
2. 信号量3. 条件变量条件变量可以被用来支持更高级的同步机制,如互斥锁和信号量。
第4章 进程的同步与互斥
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mxh
同步
生产者活动:
Repeat 加工一件物品
消费者活动:
Repeat wait(full)
wait(empty)
物品放入箱中 signal(full)
箱中取一物品
signal(empty) 消耗这件物品
Until false
Until false
mxh
互斥
生产者活动:
Repeat
认为缓冲区同一时刻只有一个人可
mxh
4.1 进程的同步和互斥
信号量定义(记录型信号量)
semaphore是一个结构体: typedef struct {
int value;
//资源的个数
//进程链表
struct process *L;
} semaphore;
mxh
4.1 进程的同步和互斥 申请一个
• 信号量操作wait现在可按如 下来定义: void wait (semaphore S) { S.value - -; if (S.value <0) { add this process to S.L; block(); } }
mxh
4.1 进程的同步和互斥
• 信号量的应用
–合作进程的执行次序 –共享缓冲区的进程的同步
mxh
4.1 进程的同步和互斥
• 合作进程的执行次序:
–保证一组合作进程按照逻辑需要所确定 的次序进行。
mxh
4.1 进程的同步和互斥
• 合作进程的执行次序
–可以用一个图来表示进程集合的执行次 序。图的连接描述了进程开始和结束的 次序约束,此图称为进程流图. –例如P78,图4-2。 –使用信号量机制实现图4-2的同步。(练 习)
第4章进程的同步和死锁.ppt
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§4.1 进程的同步和互斥
wait的经典定义可用伪代码表示为: wait(s) { while (s<=0) ; // no.op s - - . .; }
signal的经典定义可用伪代码表示为: signal (s) { s + +; }
§4.1 进程的同步和互斥
1.信号量的使用 可使用信号量来解决n个进程的临界区问题。这n个进程共
§4.1 进程的同步和互斥
4.1.3 信号量机制
信号量(Semaphore)机制是荷兰学者E.W.Dijkstra在1965 年提出的一种解决进程同步、互斥问题的更通用工具,并 在THE操作系统中得到实现。
信号量S是个整数变量,除了初始化外,它只能通过两个标 准的原子操作wait和signal来访问。这两个操作原来被称 为P(用于wait,表测试)和V(用于signal,表增加)操作。
§4.1 进程的同步和互斥
2.信号量的实现 上面定义的信号量虽然能够用来解决进程的同步和互斥问
题,但存在一个明显的缺陷,即该机制没有遵循“让权等 待”的原则,而是使进程处于“忙等”状态。 为了克服这个缺点,可定义一个结构体信号量: typedef struct {
int value; struct process *L; //进程链表 } semaphore;
§4.1 进程的同步和互斥
2.临界资源 在计算机的资源中,有些资源,如上面提到的打印机资源,
一次能被一个进程使用,这类资源称为临界资源 (Critical Resource)。 临界资源可能是硬件,也可能是软件:变量,数据,表格, 队列等。它们虽然可以被若干个进程所共享,但一次能为一 个进程所利用。 为了保证共享临界资源的各个进程能正确运行,当临界资源 由一个进程占用后,其它进程如果要使用它,必须等待占用 进程使用完毕并把它释放后,才能由另一个进程使用。多个 进程在共享临界资源时的这种制约关系称为进程的互斥。
计算机操作系统-陆丽娜-课后答案第四章
![计算机操作系统-陆丽娜-课后答案第四章](https://img.taocdn.com/s3/m/4c9d8617227916888486d756.png)
14. 设 N 为整型数,初始值为 3,两个并发进程 A 和 B 的程序如下:
process A
process B
do{ N=N+5; }
do{ print(N);
N=0;
} 若 process A 先执行了三个循环后,process A 和 process B 又并发执
行了一个循环,写出可能出现的打印值。请用 P、V 操作实现同步, 使两并发进程能正确执行。
量 S1 和 S2 初值均为 0。试问 P1、P2 并发执行后,x、y 的值各为多 少?
P1:
P2:
begin
begin
y:=1;
x:=1;
y:=y+3;
x:=x+5;
V(S1);
P(S1);
z:=y+1;
x:=x+y;
P(S2);
V(S2);
y:=z+y
end
z:=z+x;
end 答:x=10 y=9 z=15
9. 列举死锁的各种预防策略。 答: 静态分配资源策略:要求每一个进程在开始执行前就要申请它所需要 的全部资源,仅当系统能满足进程的资源申请要求时才把资源分配给 进程,该进程才能开始执行(注意,所有并发执行的进程要求的资源 总和不能超过系统拥有的资源数)。(破坏第二个条件)
按序分配资源策略:把系统中所有资源排一个顺序,对每一个资源给 一个确定的编号,规定任何一个进程申请两个以上资源时总是先申请 编号小的资源,后申请编号大的资源(或者先申请编号大的,后申请 编号小的资源)。系统按进程对资源的申请顺序来分配资源。按序分 配策略将阻止死锁 的第四个条件(循环等待条件)的出现。
end
Ⅱ 单项选择题
操作系统复习总结
![操作系统复习总结](https://img.taocdn.com/s3/m/48fdd331ee06eff9aef80744.png)
第一章操作系统概述1.操作系统主要特征是什么?操作系统是控制和管理计算机的软、硬件资源,合理地组织计算机的工作流程,以方便用户使用的程序集合。
2.“操作系统是控制硬件的软件”这一说法确切吗?为什么?不正确,因为操作系统不仅仅是控制硬件,同时它还控制计算机的软件。
第二章进程与线程1.操作系统中为什么要引入进程的概念?为了实现并发进程之间的合作和协调,以及保证系统的安全,操作系统在进程管理方面要做哪些工作?①为了从变化角度动态地分析研究可以并发执行的程序,真实的反应系统的独立性、并发性、动态性和相互制约,操作系统中不得不引入进程的概念。
②为了防止操作系统及其关键的数据结构受到用户程序破坏,将处理机分为核心态和用户态。
对进程进行创建、撤销以及在某些进程状态之间的转换控制。
2.假设系统就绪队列中有10个进程,这10个进程轮换执行,每隔300ms轮换一次,CPU在进程切换时所花费的时间是10ms,试问系统化在进程切换上的开销占系统整个时间的比例是多少?就绪队列中有10个进程,这10个进程轮换执行,每隔进程的运行时间是300ms,切换另一个进程所花费的总时间是10ms,隐刺系统化在进程切换上的时间开销占系统整个时间的比例是:10//(300+10)=3.2%.3.试述线程的特点及其与进程之间的关系。
答:线程是进程内的一个相对独立的运行单元,是操作系统调度和分派的单位。
线程只拥有一点必不可少的资源(一组寄存器和栈),但可以和铜属于一个进程的其他线程共享进程拥有的资源。
关系:1>线程是进程的一部分,是进程内的一个实体;一个进程可以有多个线程,但至少必须有一个线程。
一个线程只能在一个进程的地址空间内活动;2>进程资源的拥有者,同一个进程的多个线程共享该进程占有的所有资源;3>处理机分配给进程,线程是系统的调度单位。
1.这种策略一方面照顾了短进程,一个进程如果在100ms运行完毕它将退出系统,更主要的是照顾了I/O量大的进程,进程因I/O进入阻塞队列,当I/O完成后它就进入了高优先级就绪队列,在高优先级就绪队列等待的进程总是优于低优先级就绪队列的进程。
第4章进程同步与死锁
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临界区
退出区
其余代码区
进程A进入临界区 进程A
进程A离开临界区
进程B
进程B阻塞 进程B尝试进入临界区 进程B进入临界区 进程B离开临界区
3.临界区访问准则
无论使用将导致进程同步的错误。
(1) 空闲让进:当没有进程处于临界区,临界 资源处于空闲状态时,立即可以允许一个 进程进入临界区。
4.3 信号量
4.3.1整型信号量机制 4.3.2记录型信号量机制 4.3.3 AND型信号量机制
4.3 信号量
• 从概念上将信号量类似于交通管理中的信 号灯,通过信号量的状态来决定并发进程 对临界资源的访问顺序。信号量可以在多 进程间传递简单的信号,使一个进程可以 在某位置阻塞,直到接收到特定信号后继 续运行,从而达到多进程相互协作的目的。
第四章 进程同步与死锁
本章主要讲述以下几方面的内容:
(1) 进程同步和互斥,临界资源及临界区的基 本概念
(2) 实现进程互斥的方法 (3) 信号量机制与P、V操作 (4) 一些经典的进程同步问题 (5) 利用管程实现进程同步 (6) 进程的死锁及处理机制 (7) Linux系统的进程同步及死锁
4.1 进程同步的基本概念
临界区; turn=0;
int turn=0;
进程A:
算法2:利用双标志法判断进程是否进入临界 区。
这种算法通过使用一个flag数组来表示进程是 否希望进入临界区。对两个并发进程A与B ,若flag[0]=1则表示进程A期望进入临界区 ,若flag[1]=1则表示进f进la程g[1程B]:=1;B期望进入临界区 。进程A与B在真正进twuhr入nile=(0f;临lag[0界]&&区turn之==0)前; 先查看 一下对方的flag标志,临fla界g[如1区]=;0果; 对方正在进入临 界区则将进行等待。另外,为了避免并发 执行时的错误还需要通过一个变量turn来避
操作系统概念(第九版)答案
![操作系统概念(第九版)答案](https://img.taocdn.com/s3/m/42571f652e60ddccda38376baf1ffc4ffe47e21c.png)
操作系统概念(第九版)答案简介《操作系统概念(第九版)答案》是一本针对《操作系统概念(第九版)》教材的答案集合。
本文档旨在提供读者对操作系统相关概念的理解和应用基础。
目录1.引论2.进程管理3.处理机调度4.进程同步5.死锁6.内存管理7.虚拟内存8.文件系统9.输入与输出10.磁盘存储管理11.安全性和保护12.分布式系统13.多媒体操作系统14.实时系统第一章引论本章的目标是介绍操作系统的概念和功能,包括定义了什么是操作系统、操作系统的历史和发展、操作系统的分类以及操作系统的基本组成部分。
问题1:操作系统是什么?答案:操作系统是一个管理计算机硬件和软件资源的软件系统。
它为用户提供一个在硬件和软件之间进行交互的接口,同时协调和控制计算机的各个组件,以实现有效和可靠的计算机操作。
问题2:操作系统的历史和发展?答案:操作系统的历史可以追溯到大约20世纪50年代,当时计算机的使用范围相对较小,操作系统也比较简单。
随着计算机技术的发展,操作系统逐渐变得复杂而且功能强大。
在20世纪60年代,随着多道程序设计的发展,操作系统开始支持同时运行多个程序。
这就导致了对资源的合理分配和进程调度的需求。
同时,操作系统的文件系统和输入输出功能也得到了改进和扩展。
在20世纪70年代,个人计算机的出现使得操作系统变得更加普及。
同时,分时操作系统和分布式操作系统的概念也开始出现。
到了20世纪80年代和90年代,图形用户界面(GUI)的引入和互联网的普及使得操作系统更加用户友好和功能丰富。
现在,操作系统已经成为计算机系统中不可或缺的一部分,为计算机用户提供各种功能和服务。
问题3:操作系统的分类有哪些?答案:操作系统可以根据不同的标准进行分类。
以下是国际上常用的操作系统分类方法:1.目标计算机系统:大型机操作系统、小型机操作系统、微型机操作系统、嵌入式系统操作系统。
2.处理方式:批处理系统、分时操作系统、实时操作系统。
3.用户数量:单用户操作系统、多用户操作系统。
操作系统第4章习题带答案
![操作系统第4章习题带答案](https://img.taocdn.com/s3/m/94fdb9b5f424ccbff121dd36a32d7375a417c6a8.png)
操作系统第4章习题带答案第四章⼀、问答题1、同步机制应遵循的准则是什么?2、死锁产⽣的4个必要条件是什么?它们是彼此独⽴的吗?3、简述死锁的定义和死锁产⽣的原因。
4、简述死锁定理和解除死锁的⽅法。
5、什么是安全状态?怎么判断系统是否处于安全状态?6、同步机制应遵循的准则是什么?7、死锁产⽣的4个必要条件是什么?它们是彼此独⽴的吗?⼆、计算题(共20分)1、当前系统中出现下述资源分配情况:利⽤银⾏家算法,试问如果进程P2提出资源请求Request(1,2,2,2)后,系统能否将资源分配给它?答:Request(1,2,2,2)<=(2,3,5,6)申请合法Request(1,2,2,2)<=Available,开始试探性分配,Available=(0,4,0,0) 测试系统是否安全:work= Available,finish=1没有进程的need满⾜<=work系统处于不安全状态,系统拒绝此次资源分配。
2、当前某系统有同类资源7个,进程P,Q所需资源总数分别为5,4。
它们向系统申请资源的次序和数量如表所⽰。
回答:问:采⽤死锁避免的⽅法进⾏资源分配,请你写出系统完成第3次分配后各进程占有资源量,在以后各次的申请中,哪次的申请要求可先得到满⾜?答:第1次申请,Q申请资源2,系统安全,分配第2次申请,P申请资源1,系统安全,分配第3次申请,Q申请资源1,系统安全,分配资源剩余3个,P占有1个资源,Q占有3个资源,第4次分配不安全,拒绝,第5分配系统安全,满⾜。
3、⼀个计算机系统有6个磁带驱动器和4个进程。
每个进程最多需要n个磁带驱动器。
问当n为什么值时,系统不会发⽣死锁?并说明理由答:n=2理由同第4题(进程资源最⼤需求-1)×进程数量+1≤系统资源数量4、若系统有某类资源m×n+1个,允许进程执⾏过程中动态申请该类资源,但在该系统上运⾏的每⼀个进程对该资源的占有量任何时刻都不会超过m+1个。
第4章 进程的同步与死锁
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分析:产生错误的原因是不加控制地
访问共享变量x
设x的当前值为:100 1. 若执行顺序为: 先T1; 后T2; 则结果:x = 98 2. 若执行顺序为: T1: Read(x); T2: Read(x); T1: if x>=1 then x:=x-1; T2: if x>=1 then x:=x-1; T1: write(x); T2: write(x); 则结果 x = 99
操作顺序冲 正确 cm 突 pm
p2
g
结果
g1
c1 g,p,c
c,p,g p,c,g p,g,c
c2
g2
g3
正确执行顺序
4.1 进程的同步和互斥
解决
系统必须提供相应的并发控制机制 同步与互斥
4.1.1 进程同步
进程同步(直接制约) 指系统中一些进程需要相互合作,共 P1: P2: 同完成一项任务。 具体说,一个进程 synchronize
互斥引例
一飞机订票系统,两个 终端,运行T1、T2进程
T1 : ... Read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x) ... T2: ... Read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x); ...
分析:产生错误的原因是不加控制地
访问共享变量x
4.1.5 信号量的应用实例
利用P、V操作实现进程的互斥 共享缓冲区的进程的同步 控制合作进程的执行次序
4进程的同步与通信,进程死锁
![4进程的同步与通信,进程死锁](https://img.taocdn.com/s3/m/05ebcd2d227916888486d762.png)
前一个操作执行完后才能执行后继操作。
I1
C1
P1
I2
C2
P2
图3-2 程序顺序执行时的前趋图
其中I、C、P分别表示输入、计算和打印操作
顺序执行的特点:顺序性,封闭性,可再现性
计算机操作系统
2. 程序的并发执行
概念:若干个程序(或程序段)同时在系统中运行,这
些程序(或程序段)的执行在时间上是重叠的,一个程
实现的两种方法: 1) OS提供进程创建,结束和同步的系统调用; 2) 由并行语言编译器将并发语言的语句转化 为对OS的系统调用。
12
与进程相关的系统调用
UNIX操作系统利用进程支持并发执行; 它提供了如下系统调用:
fork():创建一个新进程。 (1) 该子进程继承了父进程的程序空间, 复制了父进程的数据段和栈段。也就是说不 管是父进程还是子进程,在占有处理机后, 都从fork()调用的返回点开始运行;
4、让权等待;
② 硬件方法
24
4.2.2 实现临界段的硬件方法
与计算机体系结构有关 缺点:
1)可能影响到I/O行为
1、屏蔽中断法
2)只能用于单处理机系
统
中断引起的并发会导致错误的结果
两条命令:enableInterrupt,disableInterrupt
进程1的程序 disableInterrupt(); Balance=balance+amount; enableInterrupt();
程序段或语句)间的执行顺序关系,或
s1
者是一个大的计算各子任务间的因果关 系。
1)是一个有向无循环图;
s2
s3
s4
2)图的结点对应程序中的一条语句、 s5 s6 一个程序段或一个进程;
进程管理四经典进程同步问题PPT培训课件
![进程管理四经典进程同步问题PPT培训课件](https://img.taocdn.com/s3/m/0c0e4f40591b6bd97f192279168884868662b87f.png)
实现细节
03
哲学家就餐问题
问题在于,如果哲学家们不能正确地同步他们的行为,可能会产生死锁,即所有哲学家都在等待别人放下筷子,导致系统无法继续进行。
哲学家就餐问题是进程同步问题中的一个经典案例,描述了五个哲学家围坐在圆桌旁,思考和进餐的行为。
哲学家的思考和进餐行为需要相邻的哲学家配合,如果一个哲学家左边和右边的哲学家都在进餐,则该哲学家可以拿起筷子开始进餐。
初始化信号量
01
设置初始值为缓冲区的空闲数量和总容量。
生产者进程
02
生成数据后,通过P操作减少空闲位置的信号量;将数据放入缓冲区;通过V操作增加空闲位置的信号量,通知消费者进程可以取数据。
消费者进程
03
通过P操作减少有数据的信号量;从缓冲区中取出数据进行处理;通过V操作增加有数据的信号量,通知生产者进程可以生产数据。
问题描述
解决方案
使用信号量机制:通过设置两个信号量,一个用于控制缓冲区的空闲数量,另一个用于控制缓冲区的总容量。
生产者进程在生产数据后,需要等待缓冲区有空闲位置才能放入数据;消费者进程在取出数据前,需要等待缓冲区中有数据才能进行。
通过信号量的操作来控制进程的同步和互斥,确保数据的安全传输。
五位哲学家围坐在圆桌旁,思考和进食。每两位哲学家之间有一把叉子。如何避免死锁,使得每位哲学家都能够正常地思考和进食?
当一个进程请求资源时,系统需要决定是否分配资源。银行家算法通过检查是否安全来决定是否分配资源,以避免死锁。如何实现银行家算法?
读者-写者问题
哲学家就餐问题
银行家算法
进程同步的经典问题
在实现过程中还需要考虑异常处理和日志记录等方面,以确保程序的健壮性和可维护性。
实现细节
进程管理四经典进程同步问题
![进程管理四经典进程同步问题](https://img.taocdn.com/s3/m/a940f544e45c3b3567ec8b38.png)
1. AND型信号量集
AND型信号量集用于同时需要多种资源且每种占用一个时的信 号量操作; • 问题:一段处理代码需要同时获取两个或多个临界资源―― 可能死锁:各进程分别获得部分临界资源,然后等待其余的 临界资源,"各不相让" • 解决方法:在一个wait原语中,将一段代码同时需要的多个 临界资源,要么全部分配给它,要么一个都不分配。称为 Swait(Simultaneous Wait)。 • 在Swait时,各个信号量的次序并不重要,虽然会影响进程归 入哪个阻塞队列。由于是对资源全部分配或不分配,所以总 有进程获得全部资源并在推进之后释放资源,因此不会死锁。
怎样判断有没有读者在读?
增加一个公共变量Readcount,表示当前有 几个读者进程在读。
新来一个读者进程,Readcount加1; 撤销一个读者进程,Readcount减1; 第一个读者:阻塞所有写者进程;允许其他读者进程执行。 最后一个读者:唤醒可能的写者进程。 Readcount成为临界资源,必须互斥访问: 增加互斥信号量Rmutex
需要注意: 原先处于阻塞状态的进程,被唤醒后,从何处开始执行? 与 记录型信号量机制有何不同?
15
生产者-消费者问题 - AND型信号量机制
• 若不愿意考虑wait操作的先后顺序,也可用AND型信号 量来实现。 • 生产者进程中: – 用Swait(empty,mutex)代替wait(empty)和wait(mutex), – 用Ssignal(mutex,full)代替signal(mutex)和signal(full) • 消费者进程中 – 用Swait(full,mutex)代替wait(full)和wait(mutex), – 用Ssignal(mutex,empty)代替signal(mutex)和 signal(empty)
计算机操作系统习题及答案(4)
![计算机操作系统习题及答案(4)](https://img.taocdn.com/s3/m/b23b73990b1c59eef9c7b414.png)
第4章进程同步与通信1)选择题(1)在操作系统中,P、V操作是一种_D__。
A。
机器指令B。
系统调用命令C. 作业控制命令D。
低级进程通信原语(2)若信号量S的初值为2,当前值为-1,则表示有_B__等待进程。
A。
0个B。
l个C. 2个D。
3个(3)在直接通信方式中,系统提供两条通信原语进行发送和接收,其中Send原语中参数应是_C_。
A。
sender,message B。
sender,mailboxC. receiver,message D。
receiver,mailbox(4)下述那个选项不是管程的组成部分_A__.A。
管程外过程调用管程内数据结构的说明B。
管程内对数据结构进行操作的一组过程C。
局部于管程的共享数据说明D。
对局部于管程的数据结构设置初值的语句(5)某通信方式通过共享存储区来实现,其属于_D__。
A. 消息通信B。
低级通信C。
管道通信D。
高级通信(6)用P、V操作管理临界区时,信号量的初值应定义为__C__。
A. —1B. 0C。
1 D. 任意值(7)临界区是_B__。
A. 一个缓冲区B. 一段程序C. 一段共享数据区D。
一个互斥资源(8)信箱通信是一种_D__通信方式。
A。
直接通信 B. 信号量C。
低级通信D。
间接通信(9)对于两个并发进程,设互斥信号量为mutex,若mutex=0则__A_。
A. 表示有一个进程进入临界区B。
表示没有进程进入临界区C。
表示有一个进程进入临界区,另一个进程等待进入D. 表示有两个进程进入临界区(10)对信号量S执行V操作后,下述选项正确的是_C__。
A. 当S小于等于0时唤醒一个阻塞进程B. 当S小于0时唤醒一个阻塞进程C. 当S小于等于0时唤醒一个就绪进程D. 当S小于0时唤醒一个就绪进程(11)在消息缓冲通信中,消息队列属于_A__资源。
A. 临界B。
共享C。
永久 D. 可剥夺(12)在消息缓冲通信机制中,使用的临界资源是_D__。
A。
信箱B。
实验2进程同步与死锁
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实验步骤
01
1. 设计进程同步实验程序
02 设计两个或多个进程,它们需要访问共享资源。
03 使用信号量或其他同步机制来实现进程间的同步。
实验步骤
2. 编译和运行实验程序
1
2
使用适当的编译器编译实验程序。
3
运行实验程序,并观察程序的输出结果。
实验步骤
01
3. 分析实验结果
02
分析程序的输出结果,验证进程同步机制的正确性。
04 实验内容与步骤
实验目的
01
学习和掌握进程同步的基本概念和方法。
02
理解和掌握死锁的产生原因和解决方法。
通过实验,加深对进程同步和死锁的理解,提高分析和解决问
03
题的能力。
实验环境
操作系统:Windows 10或Linux。 开发工具:Visual Studio Code或GCC编译器。 编程语言:C或C。
死锁对进程同步的影响
01
系统崩溃
资源浪费
02
03
性能下降
死锁可能导致系统无法正常运行, 进而影响进程同步机制的有效性。
死锁发生时,相关进程持有的资 源被长时间占用而无法释放,造 成资源浪费。
死锁会导致系统性能严重下降, 因为相关进程无法继续执行,同 步机制也无法发挥作用。
进程同步与死锁的相互作用
死锁的危害
资源浪费
01
死锁发生时,相关进程长时间占用系统资源但又无法继续执行,
导致系统资源浪费。
系统性能下降
02
由于死锁进程长时间占用CPU和其他资源,使得其他进程得不
到及时执行,从而导致系统性能下降。
系统崩溃
03
如果死锁持续发生且得不到及时处理,可能会导致系统崩溃或
4第四章 进程同步和死锁
![4第四章 进程同步和死锁](https://img.taocdn.com/s3/m/a4f866c4360cba1aa811da9f.png)
背景
机器语言实现
counter++: ① R1=counter ② R1=R1+1 ③ counter=R1 counter--: ④ R2=counter ⑤ R2=R2-1 ⑥ counter=R2
多个进程并访问和操作同一数据且执 行结果与访问发生的特定顺序有关, 称为竞争条件
5
思考案例
一个公司只有一台打印机,目前所有的电脑都通过网
调用阻塞原语blockq插入到信号量s的阻塞队列q中有灯取下一个去敲门ss1进程请求一个单位的s类资源得灯进程续运行若s0则调用ps的进程返回继续执行运行完了要出门调用一次v操作马上还回一盏灯ss1进程释放一个单位的s类资源若有进程在催债s0放个进去事完成releases23整型信号量?在整型信号量机制中的wait操作只要是信号量slt
23
整型信号量
在整型信号量机制中的wait操作,只要是信号量 S<=0,就会不断测试。因此,该机制并未遵循“让 权等待”准则,而是使进程处于“忙等”状态
24
记录型信号量
信号量机制之二:记录型信号量 记录型信号量机制则是一种不存在“忙等”现象 的进程同步机制。采取的是“让权等待”的策略,但 又会出现多个进程等待访问同一临界资源的情况。 在此信号量机制中,除了需要一个用于代表资源 数目的整型变量value外,还应增加一个进程链表指针 L,用于链接上述的所有等待进程。 记录型信号量是由于它采用了记录型的数据结构 而得名的。
16
进程通信
情景4:如果员工A正在使用打印机资源,并且打印 的是很重要的材料,而且可能要使用一天。员工B 打印一份不太重要的材料,这种情况下,怎么办?
员工B应该立即放弃打印,回到自己的 进程同步的准则四: 工作岗位上进行工作,避免陷入“忙 让权等待:当进程不能进入自己的临界 等”,浪费人力资源。 区时,应立即释放处理机,以免进程陷入 “忙等”状态。
进程同步及死锁
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附件(四)之欧侯瑞魂创作深圳年夜学实验报告课程名称:把持系统实验项目名称:进程(线程)同步及死锁学院:计算机与软件学院专业:计算机科学与技术指导教师:陈说人:学号:班级:实验时间:2015/10/23实验陈说提交时间:2015/11/13教务处制二、方法、步伐:设计解决哲学家就餐问题的并发线程.假定有6个哲学家, 围着圆桌交替地进行思考和进餐;每次进餐时, 必需同时拿到左右两边的两只筷子才华进餐;进餐后, 再放下筷子思考.这是一个典范的同时需要两个资源的例子, 如果申请资源顺序不妥, 可能会引起死锁.本实验设计6个哲学家共享一个相同的线程Philosopher, 既完成线程同步, 又预防死锁发生.实验中采纳了3种预防死锁的方法(摒弃‘环路等候’条件, 摒弃‘请求和坚持’条件, 摒弃‘不剥夺’条件), 要预防死锁, 只采纳其中的任何一种方法即可. 三.实验过程及内容:(其中:提供有简短说明的法式代码.要求:法式运行正确、符合设计要求.)1.创立工程, 注意勾选Win32 Application, 点击确定2.勾选第三个选项3.创立菜单, 有Eat、About、Exit4.在进程(线程)同步及死锁.cpp中编写代码, 此时代码有“摒弃‘环路等候’条件”、“摒弃‘请求和坚持’条件”、“摒弃‘不剥夺’条件”三种代码, 当检测其中一个时须将其余两个加以注释, 一一检测其对死锁的影响.运行结果:运行前:运行后:5.在运行时可知, 在分别“摒弃‘环路等候’条件”和“摒弃‘不剥夺’条件”的代码时不会呈现死锁, 而使用“摒弃‘请求和坚持’条件”时会发生死锁, 在理论正确前提下, 此种情况说明了代码呈现毛病.⑴摒弃‘环路等候’条件R1=ThreadID;R2=(ThreadID+1)%6;if (ThreadID == 0){R1= (ThreadID+1) % 6;R2= ThreadID;}依据摒弃‘环路等候’条件, 要有至少一位哲学家与其他哲学家拿筷子顺序分歧, 则使第0位(ThreadID = 0)哲学家从右边开始拿筷子, 其他哲学家相反.⑵摒弃‘不剥夺’条件Wait(Mutex);if (ChopstickUsed[R2]){Signal(Mutex);goto ReleaseChopstick;//将左筷子放弃失落}Signal(Mutex);若分配给的哲学家拿不到右筷子, 则将他拿到的左筷子收回.⑶摒弃‘请求和坚持’条件原代码:Wait(Mutex);if((ChopstickUsed[R1])||(ChopstickUsed[R2])){Signal(Mutex);。
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4.2.2 软件方法
算法1:利用共享的标志位来表示哪个并发进 程可以进入临界区。 对并发进程A与B,设置标志变量turn。若变 量turn为0则允许进程A进入临界区访问,若 进程B: 变量turn为1则允许进程 B进入临界区访问。 while(turn!=1); 算法实现代码如下。
临界区; turn=0;
4.3 信号量
4.3.1整型信号量机制 4.3.2记录型信号量机制 4.3.3 AND型信号量机制
4.3 信号量
• 从概念上将信号量类似于交通管理中的信 号灯,通过信号量的状态来决定并发进程 对临界资源的访问顺序。信号量可以在多 进程间传递简单的信号,使一个进程可以 在某位置阻塞,直到接收到特定信号后继 续运行,从而达到多进程相互协作的目的。 • 在信号量同步机制中包含“检测”与“归 还”两个操作。检测操作称为P操作,用来 发出检测信号量的操作,查看是否可访问 临界资源,若检测通过,则开始访问临界
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4.5.1 使用信号的管程
• • • • • 管程由四部分组成: 管程的名称; 局部于管程的数据的说明; 对数据进行操作的一组过程; 对局部于管程内部的共享数据赋初值的语 句。
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4.5.1 使用信号的管程
• 尽管管程提供了一种实现互斥的简便途径,但这 还不够。还需要一种办法使得进程在无法继续运 行时被阻塞。例如,在生产者-消费者问题中,很 容易将针对缓冲区是满或是空的测试放到管程过 程中,但是生产者在发现缓冲区满的时候如何阻 塞呢? • 解决的方法是引入条件变量以及相关的两个操作 原语:wait和signal。当一个管程过程发现它无法 继续运行时(例如,生产者发现缓冲区满),它 会在某个条件变量上(如full)执行wait操作。该 操作导致调用进程自身阻塞,并且还将另一个以 前等在管程之外的进程调入管程,
临界区
开中断 退出区
2 专用机器指令 (1)TS(Test-and-Set)指令 TS指令的功能是检查指定标志后把该标志设置位,可以将TS指令看作一个不可中断 的函数,该函数以一个测试标志为参数。当测试标志置位时函数返回0,表示资源 被占用,否则函数返回1,表示资源可被占用,同时将测试标志置位。 (2)Swap指令 Swap对换指令的功能是交换两个字节的内容 使用硬件方法管理临界区主要有以下优点: • 适用范围广:可用于多个并发进程及单处理器或多处理器环境。 • 方法简单:只需要硬件指令即可实现。 • 支持多个临界区:可为每个临界区设置单独的标志,在支持的临界区的个数上没有 限制。 但是,硬件方法也存在着一些比较明显的缺点: • 忙等待:从TS指令与Swap指令可以看出,在进程无法进入临界区时会对标志进行循 环测试,从而耗费大量处理器资源。 • 进程饥饿现象:在某进程释放临界资源后,下一个进入临界区的进程是不确定的,
4.4.4 打瞌睡的理发师问题
设置变量waiting表示等待理发的顾客的数量,初值为0。定 义三个信号量: customers:正在等待的顾客的数量,数值上与waiting相同, 初值为0。 barbers:理发师的状态,初值为1。 mutex:用于互斥访问变量waiting,初值为1。
4.5 管程
第四章 进程同步与死锁
本章主要讲述以下几方面的内容: (1) 进程同步和互斥,临界资源及临界区的基 本概念 (2) 实现进程互斥的方法 (3) 信号量机制与P、V操作 (4) 一些经典的进程同步问题 (5) 利用管程实现进程同步 (6) 进程的死锁及处理机制 (7) Linux系统的进程同步及死锁
4.4.2 读者-写者问题
读者-写者问题可根据写者到来后是否仍允许 新读者进入而分为两类: 1. 读者优先:当写者提出存取共享对象的要 求后,仍允许新读者进入。 2. 写者优先:当写者提出存取共享对象的要 求后,不允许新读者进入。 下面利用信号量来解决读者优先的读者-写者 问题。这里需要设置两个信号量和一个共 享变量: 读互斥信号量rmutex,用于使读进程互斥访
int turn=0;
进程A:
算法2:利用双标志法判断进程是否进入临界 区。 这种算法通过使用一个flag数组来表示进程是 否希望进入临界区。对两个并发进程A与B, 若flag[0]=1则表示进程 A期望进入临界区, 进程B: flag[1]=1; 若flag[1]=1则表示进程 B期望进入临界区。 turn=0; 进程A与B在真正进入临界区之前先查看一 while(flag[0]&&turn==0); 临界区; 下对方的flag标志,如果对方正在进入临界 flag[1]=0; 区则将进行等待。另外,为了避免并发执 行时的错误还需要通过一个变量turn来避免
4.4.3 哲学家进餐问题
为哲学家设定三种状态: THINKING:思考状态,处于该状态的哲学家正在思考。 HUNGRY:饥饿状态,处于该状态的哲学家已经停止思考, 正在试图取得身边的两只筷子。 EATING:就餐状态,处于该状态的哲学家取得了身边的两只 筷子,正在就餐。
• 设定哲学家的编号依次为0到4,用数组 State来表明哲学家所处的状态,例如若 State[3]==EATING,那么就表明3号哲学家处 于就餐状态。为了方便获得某哲学家左右 两边哲学家的编号,定义如下两个宏: • #define LEFT(x) (x-1)%5 • #define RIGHT(x) (x+1)%5 • 定义一个信号量数组s,对应每个哲学家, 初值为0,用来在得不到筷子是阻塞哲学家。 为保证各哲学家状态的变更和测试能够互
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4.5.1 使用信号的管程
• 管程自动实现对临界区的互斥,因而用它 进行并行程序设计比信号量更容易保证程 序的正确性。但它也有缺点。由于管程是 一个程序设计语言的概念,编译器必须要 识别管程并用某种方式实现互斥。然而,C, Pascal和Java及多数编程语言都不支持管程。 所以指望这些编译器遵守互斥规则是不可 靠的。实际上,如何能让编译器知道哪些 过程属于管程,哪些不属于管程,也是个 问题。
4.3.3 AND型信号量机制
在并发进程访问多个临界资源时,需要多次使用P、V 操作,很容易由于操作位置放置不当而造成进程死锁。 解决死锁问题的一种方法是使用AND型信号量,与整型与 记录型信号量不同,AND型信号量对进程所需的多个临界 资源进行批量获取和批量释放。对信号量x1、x2…、xn定 义AND型信号量集如下: AND型信号量要将多个临界资源一次性全部分配给所需的 进程,当其中任一个临界资源未获得时进程都将等待,从 而避免了获取多个临界资源可能导致进程死锁的问题。
4.4.1 生产者-消费者问题 4.4.2 读者-写者问题 4.4.3 哲学家进餐问题 4.4.4 打瞌睡的理发师问题
4.4.1 生产者-消费者问题
生产者与消费者进程应满足如下同步条件: 1. 任一时刻所有生产者存放产品的单元数不能超过缓冲池的总容量N。 2. 所有消费者取出产品的总量不能超过所有生产者当前生产产品的总量。 3. 它们之间应具有的同步关系有: 4. 当缓冲池满时生产者进程需等待。 5. 当缓冲池空时消费者进程需等待。 6. 各个进程应互斥使用缓冲池。 设置如下三个信号量: full:表示放有产品的缓冲区数,初值为0。 empty:表示可供使用的缓冲区数,初值为N。 mutex:互斥信号量,初值为1,使各进程互斥进 入临界区,保证任何时候只有一个进程使用缓冲区。
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4.5.2 使用通知和广播的管程
• 上述管程的定义要求在条件队列中知道有一个进程,当另 一个进程为该条件产生signal时,该队列中一个进程立即 运行。因此,产生signal的进程必须立即退出管程,或者 挂起在管程上。 • 这种方法有两个缺点: • 1. 如果产生signal的进程在管程内还没有结束,则需要做 两次切换:挂起进程切换,当管程可用是恢复该进程又切 换一次。 • 2. 与信号相关的进程调度必须非常可靠。当产入一个 signal时,来自相应条件队列中的—个进程必须立即被激活, 调度程序必须确保在激活前没有别的进程进入管程,否则, 进程被激活的条件又会改变。
4.3.1整型信号量机制
整型信号量是最简单的一种信号量,它通 常是一个需要初始化值的正整型量。对整 型信号量x,定义P操作及V操作原语如下。 P操作: P(x) {
while(x<=0); x=x-1;
4.3.2记录型信号量机制
由于整型信号量在P操作不成功时需要进行循 环等待,而这种等待没有放弃CPU资源,违 背了让权等待的原则,造成了系统资源的 V操作: V(x) 浪费。记录型信号量在整型信号量的基础 { 上进行了改进,它除包含一个整型值 x.value=x.value+1; Value if(x.value<=0) 外还包含一个阻塞队列queue 。 wakeup(x.queue); 对记录型信号量x,定义 P操作及V操作原语 } 如下: P操作:
4.1.4 临界资源和临界区
1. 临界资源 进程在运行过程中,可能会与其它进程共享资源,而对互斥 共享资源的访问需要具有排他性。 2. 临界区 将程序中对临界资源访问的代码部分称为临界区。图4-2 所示为访问临界资源的程序的一般结构。
入口区 临界区 退出区 其余代码区
进程A进入临界区
进程A离开临界区
在多进程并发的情况下,进程共享某些变 量或硬件资源,由于进程的执行具有不确 定性,如果不对进程的执行加以制约其执 行结果往往是错误的。 例4-1 假设有两个并发进程P1及P2。 P1 P2 S1:X=1 S4:X=2 S2:X=X+1 S5:X=X*2 S3:A=X S6:B=X
4.1.3 进程的同步与互斥
4.1 进程同步的基本概念
• • • • 4.1.1 并发性 4.1.2 与时间有关的错误 4.1.3 进程的同步与互斥 4.1.4 临界资源和临界区
4.1.1 并发性
所谓并发性是指一组进程执行在时间点上相 互交替,在时间段上相互重叠。