第3章并发进程

begin s：semphore； s:=1; cobegin process Pi begin p(s); 临界区 v(s); ...... end； coend; end； process Pi begin p(s); 临界区 v(s); end； coend
end； 但是，任何粗心地使用PV操作会违反临界区的管理要求．例如对7．2中的第二个例 子，用PV操作管理临界区时，若粗心地把程序改写成： begin s：semaphore s：=1； cobegin process Pi（i＝1，2，„n） begin 按旅客订票要求找到Aj； p(s)； Ri：=Aj if Ri＞=l then begin Ri：=Ri—1; Ai:=Ri； v(s); 输出一张票 end else 输出“票已售完” end; coend； end
占用CPU执行过程 pin pin被打断， pout占用 pout被打断，pin占用 pin被打断，pout占用 进程执行的操作 R1:=count R1:=R1+1 R2:=count R2:=R2+1 count:=R1 count:=R2 count值 n n n+1 n-1
于是，两个进程执行完后，count的终值为ｎ-1。也就是说，这两个进程的执 行次序对结果是有影响的，关键是它们涉及到共享变量count，且两者交替访问 了count，在不同的时间里访问count，就可能使count的值不同。所以，造成计数 值不正确的因素是与进程被打断的时间和能占用处理的时间有关，由于这种原因 造成的错误称为“与时间有关的错误”。
1、
程序段并发执行的有向图
I1I2I3Fra bibliotekI4C1
C2
C3
C4
P1
P2
P3
P4
第三章
2、与时间有关的错误
并发进程
例如，某展示厅设置了一个自动计数系统，用一个计数器count指示在场 的人数。当有一人进人时，进程pin实现计数加１，当退出一人时，进程 POUT实现计数减１。由于人场与退场是随机的，因此，进程pin和pout是并 发的。用cobegin和coend表示并发执行，这两个进程的程序如下： begin count:integer; count：=0; cobegin process pin R1：integer； begin R1：＝count； R1：= R1＋1； count：=R1 ； end； process pout R2：integer；
进程执行时调用P(S）决定是否能进入临界区，由于S的初值为1，故每次只能有一个 进程进入临界区，其它想进入临界区执行的进程必须等待，这符合临界区管理的第一个 要求。但在改写的程序中忽略了当条件Ri＞=1不成立时执行else部分的V操作，以致使 进程在临界区中判到条件Ri＞=1不成立时无法退出临界区，当然也就不能释放等待进入 临界区的进程，造成进程无限地等待进入临界区，这就违反了对临界区管理的第二、第 三的两个要求。正确的做法应该是； begin S：semphore； S：＝1； cobegin process Pi(0，1,2,„,n） begin 按旅客订票要求找到Aj； p(s)； Ri:=Aj； if Ri>=1 then begin Ri：=Ri－1， Aj：=Ri； v(s)； 输出一张票 end else begin v(s); 输出“票已售完”„„
2. 临界区：访问临界资源的那段代码。诸进程在访问临界资源时，必须互 斥。我们把每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。为了实现对临 界区的互斥访问，应保证诸进程互斥地进入自己的临界区。为此，每个进程 在进入其临界区前，必须先提出申请，经允许后方可进入。 若干个并发进程临界区程序的执行准则如下： （1）若干个进程都要求进入临界区访问共享变量时，只允许一人进程进入， 其他进程必须等待； （2）任何一个进入临界区的进程必须在有限的时间内退出临界区； （3）当某一进程退出临界区时，若有其他进程等待进入，同必须允许一个 进程进入临界区。 3、P-V操作 20世60年代中期发明的P-V操作能够满足对临界区的管理要求。P-V操作 由两个原语：P操作原语与V操作原语组成。
占有CPU执行过程 pin
pin中断，由pout占用CPU并执行过程
进程执行的操作
R1:=count R1:=R1+1 R2:=count R2:=R2+1 Count:=R2 Count:=R1+1
count值 n n-1 n+1
pin继续执行
按这样的次序执行后，count的最终值不能保持为ｎ，而变成ｎ+1。如果进程被 打断的情况如下：
前面例子中的两个并发进程都要使用共享的计数器count，从分析中看到，只有 当一个进程不在使用count时另一个进程再去使用，才不会出错．如果它们交叉地使 用count则会现与时间有关的锗。为了保证两个进程互斥地使用计数器count，可以用 ＰＶ操作来管理。定义一个信号量s的初值为１，把两个并发进程的程序改写成如下： begin count：integer； s：semphore count:=0； s:=1； cobegin process pin R1：integer; begin p(s)； R1：＝count; R1：=R1+1; count：=R1; v(s) end；
第三章
二、进程间的制约关系
并发进程
在多道程序系统中，由于资源共享与进程合作，使诸进程之间 可能产生两种形式的制约关系： １．间接相互制约 这种制约主要源于资源共享。例如，有两进程 Ａ和Ｂ，如果在Ａ进程提出打印请求时，系统已将打印机分配给进程 Ｂ，则进程Ａ阻塞；一旦进程Ｂ将打印机释放，也就使进程Ａ由阻塞 改为就绪状态。 ２．直接相互制约 这种制约主要源于进程合作。例如，有一输入 进程A通过单缓冲向进程B提供数据。当该缓冲空时，计算进程Ｂ因不 能获得所需数据而阻塞，当进程A把数据送入缓冲时，便将B唤醒；反 之，进程Ａ因不能再向缓冲区投放数据而阻塞，当进程B将缓冲区内 数据取走时唤醒A。
3.2进程的互斥与同步
一、进程互斥
从上面例子可知：当若干个进程都要使用某一共享 资源时，任何时刻最多只允许一个进程使用，其他要使 用该资源的进程必须等待，直到占有资源的进程释放了 该资源，这就是进程的互斥。 具有互斥关系的进程并不是它们的所有操作都要互 斥进行，只需要确保涉及共享变量操作的那一段程序实 现互斥。通常把这一段程序称为临界区或临界段，进程 的互斥实质上就是并发进程对临界区的访问是互斥的。
2、P-V操作实现同步
进程的同步是并发进程之间存在一种制约关系，一个进程的执行依赖另一个进 程的消息，当一个进程没有得到另一个进程的消息时应等待，直到消息到这才被唤 醒。 先看一个例子。设有两个进程A和B，它们共享一个缓冲器，进程A不断地读人 记录并送到缓冲器，进程B不断地从缓冲器中取出记录并加工。假定缓冲器的容量 为每次只能存放一个记录，于是正确的工作应该是这样的： 进程A把一个记录送人缓冲器后．应等到进程B发来消息（已将缓冲器的记录取 走）才能把下一个送入缓冲器。进程B也应等到进程A发来消息（缓冲器中已送入一 个 记录），才能从缓冲器中取出记录并加工。 如果这两个进程不是相互制约的话，那么可能出现：进程A又向缓冲器送入一 个新记录而把上一个尚未取走的记录覆盖了；进程B在下一个记录送入缓冲器之前 又去取缓 冲器中的记录，造成重复地取同一个记录加工。 PV操作不仅可以用来实现互斥进入临界区而且还是一个简单而又方便的同步工 具，用它来解决生产者/消费者问题，可以防止生产者把物品放入已经装有物品的 缓冲器中，也可防止消费者在物品存入缓冲器之前去取物品，现在假定有一个生产 者和一个消费者，它们公用一个缓冲器，生产者不断地生产物品，每生产一件物品 就要存入缓冲器，但缓冲器中每次只能存入一件物品，只有当消费者把物品取走后， 生产者才能把第二件物品存入缓冲器，同样地，消费者要不断地取出物品去消费，， 当缓冲器中有物品进他就可去取，每取走一件物品后必须等生产者放入一件物品才 可再取，用PV操作实现生产者/消费者之间的同步，可以定义两个信号量：
process pout R2：integer; begin p(s); R2：＝count； R2：=R2—1; count:=R2； v(s) end； coend； end； 这里p操作p(s)限制了一次只有一个进程在临界区执行。如果一个进程在临界区 执行时被打断，另一个进程想进入临界区，但由于进人临界区前必须先调用p(s)，而 此时已在临界区的进程尚未退出临界区，所以s的值为“０”，想进人临界区的进程 调用p(G)的结果必然是等待，直到已进入临界区的进程再次得到处理器执行完临界区 中的操作调用v(s)后才结束等待．所以，改写后的程序在执行中即使被打断，也不会 出现两个进程交叉访问count，保证了进程互斥地使用共享的计数器。 一般说，当ｎ个进程Ｐ1，Ｐ2，…Pn要共享某一资源时，为保证资源的互斥，首 先找出ｎ个进程各自的临界区，对每个进程都用ＰＶ操作来实现进入和退出临界，进 程Ｐｉ（ｉ=１，２，…ｎ）互斥的一般形式为：
第三章
一、概述
并发进程
为了增强计算机系统处理数据的能力，提高资源的利用率，现代 计算机系统采用多道程序设计技术，从而使得若干作业并存于内存中 且同时执行。每个作业的操作步骤都是由相应的进程完成的。多个作 业同时执行的状态，表现为一个进程的工作还没有全部完成之前，另 一个进程就开始工作，把这些可同时进行工作的进程称为“并发进 程”。 在并发进程的执行过程中，进程同步是操作系统管理共享资源， 避免出错的一个有效手段。进程的同步包括进程的同步与进程的互斥 两个方面。进程的互斥是指并发进程即多个执行进程，同时竞争共享 资源时，若某共享正在被一个进程使用，其他申请该资源的进程必须 等待，直至该资源被释放后，另一个进程才能使用该资源。也就是说， 共享资源应该互斥的使用。进程的同步是指一个进程的执行依赖于其 他进程的执行状况，即并发进程中，一个进程在没有得到其他进程发 来的消息时必须等待，直至另一个进程送来消息后才能继续执行。进 程的死锁是并发进程之间相互等待对方占有的资源的现象。