4进程的同步和死锁

§4.1
进程的同步和互斥
4.1.3 信号量机制
信号量（Semaphore）机制是荷兰学者E.W.Dijkstra在1965
年提出的一种解决进程同步、互斥问题的更通用工具，并
在操作系统中得到实现。
信号量S是个整数变量，除了初始化外，它只能通过两个标
准的原子操作wait和signal来访问。这两个操作原来被称 为P(用于wait，表测试)和V(用于signal，表增加)操作。
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进程的同步和互斥
AND型信号量集signal原语为Ssignal, 其定义如下：
Ssignal(S1, S2, …, Sn) { for (i = 1; i <= n; ++i){ ++Si; //释放占用的资源； for (在Si.queue中等待的每一个进程P) { 从等待队列Si.queue中取出进程P; if(判断进程P是否通过Swait中的测试) //重新判断 { 进程P进入就绪队列; break； } else 进程P进入某等待队列； } }}
些并发进程之间根据逻辑上的需要，有的操作可以没有时 间上的先后次序，即不论谁先做，最后的计算结果都是正 确的。但有的操作有一定的先后次序，也就是说它们必须 遵循一定的同步规则，只有这样，并发执行的最后结果才 是正确的。
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进程的同步和互斥
为了描述方便，可以用一个图来表示进程集合的执行次序。
临界区进入准则：
进程的同步和互斥
空闲让进。当无进程处于临界区时，表明临界资源处于空
闲状态，应允许一个请求进入临界区的进程立即进入自己的 临界区。 忙则等待。当已有进程进入临界区时，表明临界资源正在被 访问，因而其他试图进入临界区的进程必须等待。 有限等待。对任何要求访问临界资源的进程，应保证在有限 的时间内能进入自己的临界区，以免陷入“死等”状态。 让权等待。当进程不能进入自己的临界区，应立即放弃占用 CPU，以使其他进程有机会得到CPU的使用权，以免陷入“忙 等”。
进程的同步是指系统中多个进程中发生的事件存在某种
时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务。具体说， 一个进程运行到某一点时要求另一伙伴进程为它提供消 息，在未获得消息之前，该进程处于等待状态，获得消 息后被唤醒进入就绪态。
通常，把共同完成一个任务的若干进程称为合作进程。
合作进程在并发执行时必须同步推进才能得到正确的执 行结果。
为了克服这个缺点，可定义一个结构体信号量：
typedef struct { int value; struct process *L; } semaphore; //进程链表
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进程的同步和互斥
信号量操作wait现在可按如下来定义：
void wait (semaphore S) { S.value - -; if (S.value <0) { add this process to S.L; block(); } } 信号量操作signal现在可按如下来定义： void signal (semaphore S) { S.value + +; if (S.value <= 0) { remove a process P from S.L; wakeup(P); } }
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wait(s) {
while (s<=0) ； // no.op
进程的同步和互斥
wait的经典定义可用伪代码表示为：
s--;
}
signal的经典定义可用伪代码表示为：
signal (s) {
s + +； }
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1.信号量的使用
进程的同步和互斥
可使用信号量来解决n个进程的临界区问题。这n个进程共
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进程的同步和互斥
4.进程同步和互斥的区别 互斥的各个进程在各自单独执行时都可以得到正确的运行 结果，但是当它们在临界区内交叉执行时就可能出现问题。 而同步的各个进程，如果各自单独执行将不会完成作业的特 定任务，只要当它们互相配合、共同协调推进时才能得到正 确的运行结果。 互斥的进程只要求它们不能同时进入临界区，而至于哪个进 程先进入则不会产生运行的错误。但同步的进程的协调关系 是建立在它们之间执行时序的基础上，所以，各个进程必须 按照严格的先后次序执行。 一般情况下，互斥的进程并不知道对方的存在，而同步的进 程不仅知道其它进程的存在，还要通过与其它进程的通信来 达到相互的协调。
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3.临界区的概念
进程的同步和互斥
一个程序片段的集合，这些程序片段分散在不同的进程中， 对某个共享的数据结构（共享资源）进行操作。在进程中 涉及到临界资源的程序段叫临界区或临界段。 对临界区操作的诸进程必须互斥地进入临界区。
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进程的同步和互斥
临界区是对某一临界资源而言的，对于不同临界资源的临
界区，它们之间不相交，所以不必互斥地执行，而相对于
同一临界资源的若干个临界区，则必须互斥的进入，即对
临界资源的操作必须互斥地执行。
例如有程序段A、B是关于变量X的临界区，而C、D是关
于变量Y的临界区，那么，A、B之间需要互斥执行，C、
D之间也要互斥执行，而A与C、B与D之间不用互斥执行。
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图的连接描述了进程开始和结束的次序约束。此图称为进 程流图。如果用s表示系统中某一任务启动，f表示完成， 则可以下列的进程流图来表示这一组合作进程执行的先后 顺序。
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如下语句：
进程的同步和互斥
S
t1=a+b t2=c+d t4=t1×t2 t5=t4-t3 t3=e/f
例题：假设某个程序段包含
int a,b,c,d,e,f;
int t1,t2,t3,t4,t5;
t1=a+b;
t2=c+d; t3=e/f;
t4=t1*t2;
t5=t4-t3;
F
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进程的同步和互斥
例题4-1：进程pa,pb,pc为一组
合作进程，其进程流图如右图
所示，使用信号量机制来实现
这三个进程的同步。
分析：
从图可以看出，进程pb、pc只有在进程pa执行பைடு நூலகம்成以后才
等待。
进程p1和p2在逻辑上完全独立，毫无关系，只是由于竞争同一个物理 资源而相互制约。这种进程之间的间接制约关系不具有时间次序的特 征，谁先向系统提出申请，谁就先执行。这种对共享资源的排他性的 使用关系就是进程的互斥关系。
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2.临界资源
进程的同步和互斥
在计算机的资源中，有些资源，如上面提到的打印机资源，
一要求：让p1和p2共享一个共同信号量synch，且初始化为 0。
在进程p1中插入语句：
s1; signal (synch);
在进程p2中插入语句：
wait(synch); s2;
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2.信号量的实现
进程的同步和互斥
上面定义的信号量虽然能够用来解决进程的同步和互斥问
题，但存在一个明显的缺陷，即该机制没有遵循“让权等 待”的原则，而是使进程处于“忙等”状态。
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4.1.2 进程互斥
1.进程互斥举例
进程的同步和互斥
假定系统中只有一台打印机，进程p1，p2都需要使用打印机，如果让 它们同时使用，则两个进程的输出交织在一起，打印出的结果无法使
用。
为了解决这一问题，进程使用之前先要提出申请，一旦系统将打印机 分配给它，就一直由它独占使用，其它申请使用打印机的进程则必须
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信号量的说明：
进程的同步和互斥
① 在信号量的实现中，S.value的初值表示系统某类资源的数目，因而又
称为资源信号量，对它的每次wait操作，意味着进程请求一个单位的 该类资源。
② 当S.value<0时，表示该类资源已分配完毕，因而进程调用block原语，
进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L中。此时， S.value的绝对值表示在该信号量链表中已阻塞进程的个数、亦即恰好 等于对信号量S实施wait操作而被封锁起来并进入信号量S队列的进程
AND型信号量wait原语为Swait,其定义如下： Swait(S1, S2, …, Sn) { if(S1 >=1 && S2 >= 1 && … && Sn >= 1) { //满足资源要求时的处理； for (i = 1; i <= n; ++i) .– -Si; } else { //某些资源不够时的处理； 调用进程进入第一个小于1信号量的等待队列Sj.queue; 阻塞调用进程; } }
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为：
process A:
进程的同步和互斥
引入AND信号量后，上面的例子就可以简单改写
process B: Swait(Emutex,Dmetux);
Swait(Dmutex,Emutex);
………
Ssignal(Dmutex,Emutex);
………
Ssignal(Emutex,Dmutex);
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进程的同步和互斥
(2)AND型信号量的基本思想
上述例子出现死锁的原因主要在于进程运行时需要多个资源，在为每
个进程分配所需的全部资源时，不能保证原子操作，从而导致进程之 间相互等待对方释放所占资源的死锁状态。为了解决进程同时需要多 种资源且每种资源要占用一段时间的问题，人们提出了AND型信号量同 步机制。
一次能被一个进程使用，这类资源称为临界资源 （Critical Resource）。
临界资源可能是硬件，也可能是软件：变量，数据，表格，
队列等。它们虽然可以被若干个进程所共享，但一次能为一 个进程所利用。 为了保证共享临界资源的各个进程能正确运行，当临界资源 由一个进程占用后，其它进程如果要使用它，必须等待占用 进程使用完毕并把它释放后，才能由另一个进程使用。多个 进程在共享临界资源时的这种制约关系称为进程的互斥。