操作系统 进程同步与通信

当turn=0，表示允许P0进程进入，当P0退出 临界区后，置turn=1，P1才可进入临界区 反之当turn＝1，表示允许P1进程进入，退出 时置turn=0，则P0才可进入。

严格轮换法
初始值 turn = 0; 或者 turn = 1;
Process P0 { do { while (turn != 0); 临界区 turn = 1; 剩余区 }while(1); } Process P1 { do { while (turn != 1); 临界区 turn = 0; 剩余区 }while(1); }
与时间有关的错误问题(1)

两个进程的串行执行
假设某一时刻count = n int R1; R1=count; R1=R1+1; count=R1; int R2; R2=count; R2=R2-1; count=R2; 正确结果count = n不变 假设某一时刻count = n int R2; R2=count; R2=R2-1; count=R2; int R1; R1=count; R1=R1+1; count=R1; 正确结果count = n不变
Process P1 { do { flag[1]=true; while (flag[0]); 临界区 flag[1]=false; 剩余区 }while(1); }
双标志位法(1)
算法的特点 可以解决两个进程严格交替的问题 但当两个进程几乎同时到达时，结果两 个进程都不能进入临界区执行——产生 死锁问题

锁变量

free: 锁（临界区使用标志）

true: 有进程在临界区 false:无进程在临界区(初值)
… while (free); free = true; 临界区 free = false;

程序

特点：正确性？
严格轮换法（单标志位法）

设置一个标志变量turn，两个进程P0、P1 要进入临界区先要访问该标志，根据标志 值决定自己是否进入临界区。
错误的结果值count = n-1，应该为n
与时间有关的错误问题(2)

问题描述：设一个飞机航班售票系统有n个售 票点，每个售票处通过终端访问系统公共数据 区，假定公共数据区中的一些单元Aj（j=1， 2，„„）分别存放某年某月某日某次航班的 剩余票数。设P1，P2，„，Pn表示各个售票点 的处理进程，R1，R2，„，Rn表示各进程执行 时所用的工作单元，当各售票点有旅客买票时， 进程工作如下：
双标志位法

先修改后检查算法

为每个进程都设置一个标志位，引入数组 flag[2]，初始化为false，表示临界区中无进 程，欲进入者可以进入。

进程Pi欲进入时将自身标志flag[i]置为true，阻止 另一个进程进入，接着判定对方的标志是否为false， 若是才可以进入临界区，否则必须等待；

与时间有关的错误问题(1)

并发执行另一种错误的可能结果：
假设某一时刻count = n
R1=count; count =n
R1=R1+1; PIN进程被挂起; R1=n+1 R2=count; count=n
R2=R2-1;
POUT进程被挂起，PIN唤醒 R2=n-1
count=R1; PIN进程结束，POUT唤醒 count=n+1 count=R2; POUT进程结束，count = n-1
临界区的管理准则

让权等待
临界区让出，必须立即释放CPU，让等 待进程进入，避免“忙等” （不能让一个进程无限等待进入，即有 进程退出临界区时，应让等待进程进入 临界区执行）
对临界区的互斥访问
利用“忙等待”实现互斥
锁变量 严格轮换 Dekker算法 Peterson算法 屏蔽中断 TSL指令（硬件）
第一种并发编程方法

全手工：创建进程/线程

fork，wait pthread_create、pthread_join
第二种并发编程方法

并发识别器：自动
如何判断语句能否并发执行？
对任意语句Si定义两个操作： R(Si)：Si执行时进行读操作的变量 W(Si)：Si执行时进行写操作的变量 例如: R(read(a))=Φ ; W(read(a))={a}; R(c=a+b)={a,b}; W(c=a+b)={c}; 下面的判断方法对不对？
第4章 进程同步与通信、 进程死锁
4.1并发执行实现
一个程序内部常常存在并发成份，即存在着可并发执行的程 序段或语句。 例： read(a); read(b); c=a+b; 从设备1上输入信息a 从设备2上输入信息b 计算c
write(c)； 从设备上输出信息c
并发成分与其它语句之间存在着相互制约的关系，为描述这 些优先关系，定义一个描述工具：优先图。
练习：分别用并发语句和Fork/Join实 现优先图
S1
S2
S3
S4
S5
S6
与时间有关的错误问题(1)

设某游乐场使用了一个计算机软件，其中用一个变量 count表示在场的人数。当有人进入，则PIN进程完成 count++，当有人离开，则POUT进程完成count-进程PIN Process PIN { int R1; R1=count; R1=R1+1; count=R1; } 进程POUT Process POUT { int R2; R2=count; R2=R2-1; count=R2; }
相邻语句S1、S2如果同时满足下列条件，则它们可以 并发执行： 1.R(S1) ∩W(S2)=Φ 2.W(S1)∩R(S2)=Φ 3.W(S1)∩W(S2)=Φ
第三种方法：Fork/Join原语
半自动：优先图（并发语句）→程序 fork： join：将fork指令产生的并发成分进行合并
S0 S0 fork S1 S2 S1 join S3 S3 S2
与时间有关的错误问题(1)

并发执行一种错误的可能结果：
假设某一时刻count = n
R1=count; R1=R1+1; R2=count; count =n PIN进程被挂起
R2=R2-1;
count=R2; count=R1;
count=n-1
POUT进程结束，PIN唤醒
错误的结果值count = n+1，应该为n
严格轮换法
算法的致命缺点：

要求进入临界区执行的两个进程必须严格交替 运行。 不满足临界区管理的准则一（空闲让进），因 为存在一个进程当它在剩余区时，也不允许另 一个进程进入临界区。


当进程A大于进程B时，将阻塞进程B再次进入临界区 （因为交替原则，B必须等待A执行结束），即产生 了长进程阻塞短进程的问题。

临界区 一个进程访问这种临界资源的那段程序代 码，称为临界区
几个专业术语

剩余区：remainder
除临界区外的其余代码 （重定义）进程互斥：两个进程不能同 时进入访问同一临界资源的临界区 操作系统中实现互斥和同步的机制统称 为同步机制


临界区(互斥区)的使用原则
1）任何两个进程不能同时处于其临界 区 2）不应对CPU的速度和数量做任何假设 3）临界区外运行的进程不得阻塞其他 进程 4）不得使进程无限期等待进入临界区
双标志位法(2)
算法的致命缺点 比前两种方法更差，不能解决互斥问题， 导致所有进程都可以进入临界区 不满足管理准则中的“忙则等待”
与时间有关的错误问题(2)

某一个时刻三个客户在不同网点、几乎同时购 票的情况
t1 R1=Aj t2 …… R2=Aj t3
R1=R1-1
进程 P1 P2 P3
t4 Aj=R1
R2=R2-1 R3=R3-1
t5
…… R3=Aj
Aj=R2 ……
与时间有关的错误问题

分析产生错误的可能原因

并发进随机的。
并发进程执行的相对速度不能控制

程序的执行结果却决于进程相 对速度

而进程的相对执行速度的取决于

其他进程的活动 操作系统中断处理方式 操作系统的调度策略

带来了的问题

全局资源共享充满了危险 操作系统的资源分配难以优化 定位程序设计错误是非常困难的
4.1并发编程方法
S1 S2
S3
优 先 图
S4
例1： Parbegin S1; S2; Parend; S3; S4;
例2： Parbegin read(a); read(b); Parend c:=a+b; write(c);
并发语句
例：利用并发语句实现优先图
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
Begin S1; Parbegin S3; Begin S2; S4; Parbegin S5; S6; Parend; End; Parend; S7; End
与时间有关的错误问题(2)
Process Pi（i=1，2，…，n） { 根据用户需求找到Aj; Ri=Aj; if ( Ri >= 1) { Ri=Ri-1; Aj=Ri; 提示已卖出一张票信息； } else 输出“票已售完”； }

可能产生的错误结果
可能有若干个旅客在几
乎相同的时间里到不同的售 票处要求购买同一航班的机 票。于是，若干进程需要同 时访问同一个Aj，则结果可 能出现同一张票卖给几个不 同的旅客

例1：read(a);
read(b); c:=a+b; write(c);