进程互斥与同步-互斥

P 操作的实现
入 口
S-1 → S
≥0 S≥0 ?
0
返回 入信号灯等待队列
置“等待状态”
转进程调度
V 操作 V 操作的定义
对信号灯s的 v操作记为 v(s)。v(s)是 一个不可分割的原语操作，即取信号灯 值加1，若相加结果大于零，进程继续执 行，否则，要帮助唤醒在信号灯等待队 列上的一个进程。
需要进行化验 ?
病员就诊

要病人去化验； 等化验结果； 继续诊病；
进行化验；
开出化验结果；
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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
cp iop
A B C D
缓冲区buf
D
C
B
A
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直接制约 一组在异步环境下的并发进程，各自 的执行结果互为对方的执行条件，从 而限制各进程的执行速度的过程称为 并发进程间的直接制约。 直接制约的进程之间是同步关系
互斥举例2
先找到共享的临界资源 和临界区； 再针对每个临界区使用 mutex的P、V操作将临 界区括起来。
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信号量可能的取值范围 假设有N个并发进程共用一台打印机，设 互斥信号量mutex的初值为1，则：
信号量mutex代表什么？
mutex的取值范围为多少？ mutex的值分别代表什么含义？
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上锁原语
算法 lock 输入：锁变量w 输出：无 { test： if (w为1) ∕* 测试锁位的值*∕
不断的测 试锁的状 态，耗费 CPU时间
goto test；
else w=1； }
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∕*上锁*∕
开锁原语
算法 unlock 输入：锁变量w 输出：无 { w=0；∕*开锁*∕ }
4.4 进程之间的约束关系
程序并发执行的相互制约
间接的相互制约关系 —— 资源共享（竞争资 源系统） 直接的相互制约关系 —— 公共变量（进程协 作）
1. 进程互斥的概念 临界资源 例1：x代表某航班机座号，p1和p2两个售票进 程，售票工作是对变量x加1。这两个进程在一 个处理机C上并发执行，分别具有内部寄存器
思考：
n个并发进程，共享m个共享资源：
mutex的取值范围为？
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N个并发进程，互斥信号量mutex的初值为1： mutex的取值范围为：1～-(N-1) 1：表示没有进程进入临界区。有一个资源，无 进程等待； 0：表示有1个进程进入临界区。无资源，无进程 等待； -i ：表示1 个进程进入 临界区 。无资源，且有i (i<=N)个进程等待进入。
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互斥问题举例3
权利。
某个进程不在临界区，不阻止其他进程进
入
排它性，只能有一个进程进入临界区 有限等待，某个进程申请使用临界区后， 必须在有限的时间内离开。
2. 进程同步的概念
什么是进程同步 并发进程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息， 这种相互制约的等待与互通消息称为进程同步。 进程同步的例
看病活动：
化验活动：
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。
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设：mutex为互斥信号灯，初值为1。 pa( ) { p(mutex)； x:=x+1 ； v(mutex)； } } pb( ) { p(mutex)； x:=x+1 ； v(mutex)；
2. 用信号灯的P、V操作实现互斥
框图描述
设：mutex为互斥信号灯，初值为1。
进程 pa p(mutex) 进程 pb p(mutex)
进入临界区csa
进入临界区csb
v(mutex)
v(mutex)
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程序描述
程序 task2
main( )
{ int mutex=1； cobegin pa( )； pb( )； coend ∕* 互斥信号灯 *∕
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4.5同步机构
操作系统提供的同步机构如下两种：
锁和上锁、开锁操作 信号灯和PV操作
1. 锁和上锁、开锁操作
什么是锁 用变量w代表某种资源的状态，w称为“锁” 。 上锁操作和开锁操作
检测w的值 (是0还是1)；
如果w的值为1，继续检测； 如果w的值为0，将锁位置1 (表示占用资源)，进入临 界区执行。 临界资源使用完毕，将锁位置0。 (此为上锁操作) (此为开锁操作)
}
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程序描述
pa( ) { p(mutex)； p b( ) { p(mutex)；
csa ；
v(mutex)；
csb ；
v(mutex)；

} }

信号灯可能的取值
两个并发进程，一个共享资源，互斥信号灯的值 仅取1、0和－1三个值。 mutex=1 表示没有进程进入临界区； mutex=0 表示有一个进程进入临界区； mutex=－1 表示一个进程进入临界区， 另一个 进程等待进入。
注意：创建信号灯时，应准确说明信号灯
s 的意义和初值 (这个初值 绝不能为负值)。
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。
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V 操作的实现
入口 S+1 → S >0 S≤0 ?
从信号灯的等待队列中取出首元素
wk.baidu.com
入就绪队列
置“就绪状态”
返回
PV操作是通过原语实现的
4.6 进程互斥的实现
1. 用上锁原语和开锁原语实现进程互斥
框图描述
进程 pa 进程 pb
上锁原语
上锁原语
进入临界区csa
进入临界区csb
开锁原语
开锁原语
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程序描述 程序 task1 main( ) { int w=1； ∕* 互斥锁 *∕ cobegin pa( )； pb( )； coend }
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程序描述 p a( ) { lock(w)； csa ； unlock(w)； } }
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pb( )
{ lock(w)； csb ； unlock(w)；
对于飞机订票系统的例子，可以采用下列方法解决“与时 间有关的错误”：针对临界资源机票数设置一个信号量 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）;
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互斥问题举例4
某车站售票厅有20个窗口，任何时刻最多可容纳20 名购票者进入，当售票厅中少于20名购票者时，则厅 外的购票者可立即进入，否则需在厅外等待。若把一 个购票者看作一个进程，请用P、V操作管理这些并发 进程，要求如下：
⑴．在主函数中给出信号量的定义和初值。
⑵．给出一个购票者进程的算法。
进程A csa { x := x+1; csb {
进程B x := x+1;
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互斥
在操作系统中，当某一进程正在访问某一存储区域时，
就会发生后果无法估计的错误。进程间的这种相互制约 关系称为互斥。
进程A
csa { x := x+1; csb { 进程B x := x+1;
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。
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算法描述 ⑴．主函数算法： main() { int mutex=20; cobegin P1(); „Pi();„Pn(); coend } ⑵．购票者i的算法： Pi() { P(mutex); 购票； V(mutex); }
就不允许其他进程来读出或者修改存储区的内容，否则，
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间接制约
由于共享某一公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 由共享公有资源而造成的对并发进程执行
速度的间接制约。
受间接制约的类中各程序段在执行顺序上 是任意的。 间接制约的几个进程是互斥关系
使用临界区应遵守的原则
各进程享有独立，平等的竞争共享资源的
2. 信号灯和P、V操作
什么是信号灯
信号灯是一个确定的二元组(s，q)，s是一
个具有非负初值的整型变量，q是一个初始
状态为空的队列。操作系统利用信号灯的
状态对并发进程和共享资源进行控制和管
理。
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信号灯
信号灯是整型变量。
变量值 ≥ 0 时，表示绿灯，进程执行；
变量值
行。
0 时，表示红灯，进程停止执
r2:= x；r2 := r2+1； x := r2 ；
设x的初值为10，两种情况下的执行结果： 情况A： 情况B： x = 10+2 x = 10+1
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一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。 硬件：如输入机、打印机、磁带机等 软件：如公用变量、数据、表格、队列等
每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区
r1和r2。
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例2：两个进程共享一个变量x 两个进程共享一个变量x时，两种可能的执行次序：
A： p1： r1 := x；r1:= r1+1； x := r1 ；
p2 ：
B： p1： r1 := x； p2 ：
r2:= x；r2 := r2+1； x := r2 ；
r1:= r1+1； x := r1 ；