操作系统课件Chapter 04-1

4.2.1 共享变量与临界区域


共享变量（shared variable）
– 多个进程都需要访问的变量。
临界区域（critical region）
– 访问共享变量的程序段。
一组公共变量
…….
CR1
CR2
CRn
表示
共享变量: shared <一组变量>
临界区域: region <一组变量> do <语句＞ 例子：shared B:array[0,..,n-1]of integer; region B do region B do
典型同步机制
信号灯与PV操作(semaphore and PV operations) 管程(monitor) 会合(rendezvous) 条件临界区(conditional critical region)

4.3.3 信号灯与PV操作
E.W.Dijkstra, 1965.
4.3.3.1 信号灯与PV操作的定义
1. 硬件提供“测试并建立”指令 int test_and_set(int &target){ int temp=*target; *target=1; return(temp); }
对一组公共变量，定义全局变量int lock，其初值为0， 表示没有进程进入临界区
Pi进入：While test_and_set(lock) skip; 临界区 Pi离开：lock=0;
Eisenberg/Mcguire算法
Var flag Array[0,…,n-1]Of (idle, want_in, in_cs);
turn: 0..n-1; 初始任意
flag[i]=idle: 进程Pi不想进入临界区
flag[i]=want_in: 进程Pi想进入临界区 flag[i]=in_cs: 进程Pi已进入临界区 初始时，flag的所有元素都为idle，turn的初 值为0到n-1的任意一个数 每个进程有局部变量j
Remarks: 1.共享变量所代表的资源称为”临界资源” 2.互斥是相对于临界资源而言的。
嵌套临界区域
shared x1,x2; region x1,x2 do begin …… region y1,y2 do begin ……. end end; 有可能发生死锁 shared y1,y2; region y1,y2 do begin ……. region x1,x2 do begin ……. end end;
(1) 执行此操作进程的PCB进入s->queue尾部（状态改为 等待）；
原语: 一段不可间断执行的程序
(2) 转处理机调度程序。
V操作原语
V操作原语： void V(semaphore s){ s->value++; if (s->value<=0) wakeup(s->queue) } wakeup(s->queue)：
4.2.3.2 进程互斥的硬件实现
2. 硬件提供“交换”指令 void swap(int &a,int&b){ int temp; temp = *a; *a=*b; *b=temp; } 对于每组共享变量定义一个全局变量：
int lock (初始=0);
对于每个要求进入与该组共享变量相关的临界区的 进程，定义一个局部变量：int key;
4.2.3 进程互斥的实现

算法框架
Repeat
entry section
critical section
exit section
remainder section Until false
4.2.3 进程互斥的实现

Requirements:
– 正确性原则: 一次只允许一个进程活动在关于同一
组公共变量的临界区中；
P2: b1,b2,b3

外部顺序性：a1,a2,a3,b1,b2,b3;
b1,b2,b3,a1,a2,a3
特征：顺序性、封闭性、可再现性 – 并发性

内部并发性：P2: b1,b2,b3;
P2: b1,b3,b2 b1,b2,a1,b3,a2,a3
外部并发性：a1,b1,b2,a2,a3,b3;
信号灯变量
semaphore S; S.value S.queue
S.value S.queue
PCB
PCB FIFO
PCB
P操作原语
P操作原语： void P(semaphore s){ s->value--; if (s->value<0) asleep(s->queue) }
asleep(s->queue):
{ Critical Region}
开中断 Remarks: (1) 开关中断只在单CPU系统中有效;(why?)
(2) 影响并发性。
4.3 进程同步
4.3.1 进程同步的概念
例：司机-售票员问题 司机活动： do{ (1) 启动车辆 正常行驶 到站停车 (4) }while(1)
售票员活动： do{ 关车门 (2) 售 票 (3) 开车门 }while(1)
Eisenberg/Mcguire算法
临界区
Pi离开： j:=(turn+1)mod n;
While (flag[j]==idle)do
j:=(j+1)mod n; turn:=j; 从状态为want_in的进程中，选 择下一个进入临界区的进程
flag[i]:=idle;
4.2.3.2 进程互斥的硬件实现
第四章 互斥、同步与通讯
并发进程(concurrent processes) 进程互斥(mutual exclusion) 进程同步(synchronization) 进程高级通讯(communication)

4.1 并发进程

4.1.1 顺序性与并发性
– 顺序性

内部顺序性：P1: a1,a2,a3;
4.3.1 进程同步的概念
定义：一组进程，为协调其推进速度，在某些 关键点处需要相互等待与相互唤醒，进程之间 这种相互制约的关系称为进程同步。
P1: synchronize 先 后 P2:
4.3.2 进程同步机制

进程同步和进程互斥的区别：
－进程同步仅发生在有逻辑关系的进程间
－进程互斥可发生在任意两个进程之间
特征：交叉性、开放性、不可再现性
4.1.2 与时间有关的错误
例：图书借阅系统 终端1： CYCLE 等待借书者； IF x>=1 Then Begin x:=x-1; 借书 End Else 无书 End （x:某种书册数，设当前x=1.） 终端2： CYCLE 等待借书者； IF x>=1 Then Begin 1 x:=x-1; 借书 3 End Else 无书 End
Lamport面包店算法
VAR choosing: Array[0,…,n-1]Of Boolean;（false) number: Array[0,…,n-1]Of integer; (0) Pi 进入： 1. choosing[i]:=true; 2. number[i]:=max{number[0],…,number[n-1]}+1; 3. choosing[i]:=false; 4. For j:=0 To n-1 Do 5. While choosing[j] Do skip; 6. While (number[j]<>0)and 7. (number[j],j)<(number[i],i) Do skip 8. Endfor
4.2.3.2 进程互斥的硬件实现
基于swap指令的互斥算法
do{ key=1;
do{
swap(&lock,&key); }while(key==1);
临界区
lock=0; 其余部分
}while(1);
4.2.3.2 进程互斥的硬件实现
Remarks：
(1) test_and_set指令和swap指令是原子的， 不可中断的。（为何？） (2) test_and_set实际上是：将内存中一个单 元的内容取出，再送一个新值。 (3) swap实际上是：交换内存两个单元的内容。
Lamport面包店算法(Cont.)
临界区 Pi离开： number[i]:=0： 变量choosing的作用： 可能按P2,P3,P1次序进入！
表示进程是否正在抓号
变量number的作用： 正确次序：P1，P2，P3
记录各个进程抓到的号码
Lamport面包店算法(Cont.)
思考： 1.为何不同的进程可能抓到相同的号？结合算 法第二步思考 2.如果将算法第五步去掉，会发生什么情况？
– 进展性原则: 临界区空闲时，多个竞争者在有限时
间内确定下一个进入者；
– 公平性原则: 一个想要进入临界区的进程在等待有
限个进程进入并离开临界区后获得进入临界区的机 会。
4.2.3.1 进程互斥的软件实现
完全用程序实现，不需特殊硬件指令支 持。 可用于单CPU和多CPU环境中。 有忙式等待问题。

定义：一组进程，如果它们单独不能正 常运行，但并发可以正常运行，这种现 象为进程合作，参与合作的进程为合作 进程
4.3.2 进程同步机制

定义：用于实现进程同步的工具称为同 步机制（synchronization mechanism）

同步机制要求：
– 描述能力够用; – 可实现; – 高效; – 使用方便.
4.2.3.2 进程互斥的硬件实现
思考：
1.用test_and_set指令和swap指令实现互斥，满足公