进程互斥和同步

1 间接制约关系（进程互斥） 由于共享资源而引起的临界区内不允许并发进程
交叉执行的现象。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 2 直接制约关系（进程同步）
由于并发进程互相共享对方的私有资源所引起的 直接制约。
临界资源
象打印机这类资源一次只允许一个进程使用的 资源称为临界资源。属于临界资源有硬件打印 机、磁带机等，软件有消息缓冲队列、变量、 数组、缓冲区等。当然还有一类象磁盘等资源， 它允许进程间共享，即可交替使用，所以它称 为共享资源，而临界资源又称独享资源。
……; //P0的临界区代码
flag[ 1 ] =0;
//声明退出临界区
…….; // P1的非临界区代码
}
}
Coend
互斥-硬件支持1-禁止中断
提高临界区代码执行中断优先级
– 这种方法在UNIX和Windows NT中都使用，它是在 单机系统中有效地实现互斥的一种方法。
– 因为在传统操作系统中，打断进程对临界区代码的 执行只有中断请求、中断被接受后，系统有可能还 调用其它进程进入临界区，并修改此全局数据库。 所以用提高临界区中断优先级方法就可以屏蔽了其 它中断，保证了临界段的执行不被打断，从而实现 了互斥。
第三章 进程互斥与同步
主要内容
进程的同步和互斥机制的主要任务：控制并发 执行的诸进程之间能有效地共享和相互协作， 同时使并发执行的程序仍具有可再现性。
进程互斥 进程同步 利用信号量机制解决具体问题
进程间的关系
并发系统中诸进程由于资源共享、进程合作， 而产生进程之间的相互制约；又因共享资源的 方式不同，而导致两种不同的制约关系：
void Pi( void )
{
while (1) {
while( Test_and_Set( lock))
;
.....;
//Pi 临界区代码
lock = 0; //退出临界区
.....;
//Pi 非临界区代码
}
}
互斥-硬件支持2-特殊机器指令
2 swap 处理机指令,语义如下: void swap(int a, int b) {
flag[0] = 0;
…….; // P0的非临界区代码
}
}
void P1(void)
{
while( 1 ) {
while ( flag[0] == 1) ;
flag[1] = 1;
……; // P1的临界区代码
flag[1] = 0;
…….; // P1的非临界区代码
}
}
Coend
互斥-软件的忙等待方法-2
Test-and-Set的语义
int Test_and_Set( int target ) {
int temp; temp = target; target = 1; return temp; }
Test-and-Set 的应用
//lock为被测试变量,初值为0,互斥进程Pi(i=1,2...n)调用TS
}
}
void P1(void)
{
while( 1 ) {
while ( turn != 1 ) ;
……; // P1的临界区代码
turn = 0;

…….; // P1的非临界区代码
}
}
Coend
互斥-软件的忙等待方法-3
Peterson 1981 为了防止二进程为进入临界区而无限期等待，
又设置变量turn，表示不允许进入临界区的编号， 每个进程在先设置自己标志后再设置turn标志， 不允许另一个进程进入，这时再同时检测另一 个进程状态标志和不允许进入标志，这样可以 保证当二个进程同时要求进入临界区时，只允 许一个进程进入临界区。 仅适用于两个进程互斥
int temp; temp = a; a = b; b = temp; }
Swap 的应用
//lock为公用变量,初值为0(表临界资源空闲)
//keyi为进程Pi的对应变量,初值为0表示不要求进入临界区
void Pi( void )
{
while (1) {
keyi = 1;
while( keyi != 0 )
举例:临界资源
进程P1和P2共享变量count, R1和R2是处理机中的寄存器
P1: R1=count; R1=R1+1; count=R1;
P2: R2=count; R2=R2+1; count=R2;
若执行顺序变为 P1: R1=count; P2: R2=count; P1: R1=R1+1;
……; //P0的临界区代码
flag[ 0 ] =0;
//声明退出临界区
…….; // P0的非临界区代码
}
}
void P1(void)
{
while( 1 ) {
flag [ 1 ] =1; turn = 0;
//P1申请进入临界区
while( flag[0] == 1 && turn ==0) ; //等待获准进入
互斥-硬件支持2-特殊机器指令
1 Test-and-Set 处理机指令
对于同一主存块访问要求，即使两个处理机同时提 出，存储控制逻辑也只能让其中之一先访问，但在 一个处理机的两个存储周期间却可以插入另一个处 理机的存储周期。现在用一条指令来完成检测和修 改两个功能，这样中断和插入另一处理机的存储周 期均不可能，所以不会影响此公用变量数据的完整 性。
算法3 Int flag[2] = { 0, 0 } Int turn = 0;
互斥-软件的忙等待方法-3
Cobegin
void P0(void)
{
while( 1 ) {
flag [ 0 ] =1;
//P0申请进入临界区
turn = 1;
while( flag[1] == 1 && turn ==1) ; //等待获准进入
实现进程互斥和同步的信号量机制有软件方法、硬件指 令方法、信号量机制和管程等。
互斥-软件的忙等待方法-1
算法1
int flag[2]={ 0, 0 }
Cobegin
void P0(void)
{
while( 1 ) {
while ( flag[1] == 1) ;
flag[0] = 1;
……; //P0的临界区代码
算法2 int turn = 0; Cobegin
1.P0每小时进一次而P1每小时进入1000次 2.若某进程发生意外永远不能运行…..
void P0(void)
{
while( 1 ) {
while ( turn != 0 ) ;
……; //P0的临界区代码
turn = 1;
…….; // P0的非临界区代码
swap( lock, keyi );
.....;
//Pi 临界区代码
lock = 0; //退出临界区
.....;
//Pi 非临界区代码
}
}
count=R1; P2: R2=R2+1;
count=R2;
临界区Critical sections
多个进程共享临界资源时必须互斥使用，例如A 和B两个进程都需要使用打印机，它们必须互斥 使用。如果为了保证结果的正确性限制A、B二 进程推进序列，规定进程A执行好再执行进程B， 这样的限制就显得过死，因为它已不能保证进 程A、B能并发执行，所以必须把限制减少到最 少，以尽可能支持并发执行。为此把各进程分 解，把访问临界资源的那段代码（称为临界区） 与其它段代码分割开来，只对各种进程进入自 己的临界区加以限制，即各进程互斥地进入自 己的临界区。
多个相关进程在执行次序上的协调称为进程同步。 用于保证多个进程在执行次序上的协调关系的相 应机制称为进程同步机制。
准则
– 空闲让进 – 忙则等待 – 阻塞等待 – 有限等待
一个由临界区和剩余区1和剩余区2程序段组成的进程采 用进程同步机制后的描述如下：
{
remainder section 1；
剩余区1
进入区; critical section ；
临界区
退出区; remainder section 2 ； 剩余区2
}
进程同步机制在临界区前加上进入区，它负责对欲 访问的临界资源状态进行检查，以决定是允许该进程进 入临界区还是等待。同时在临界区后加上退出区，它负 责释放临界资源以便其它等待该临界资源的进程使用。
举例:临界区
While ( 1 ) { …… entry_section; critical_section; exit_section; ………
}
//申请进入 //临界区 //声明退出
进程同步机制
进程在并发执行时为了保证结果的可再现性，各 进程执行序列必须加以限制以保证互斥地使用临 界资源，相互合作完成任务。
禁止中断举例
Void Pi(void)
{
while ( 1 ) {
disable_interrupts;
……;
//临界区代码
enable_interrupts;
……; //非临界区代码
}
}
在多处理机情况下，用提高临界段代码执行的中 断优先级方法是无法保证互斥的，因为在一个处 理机上提高中断优先级并不能阻止其它处理器上 的中断，所以必须采用其它方法。