操作系统授课讲义-5

3、程序并行性表示举例 算术表达式求值：(a―b) * (c―d) + (e/f)**2
+ * ―
a b c t1=a-b t2=c-d
S
t3
t5
** ―
d
t3=e/f t4=t1*t2 t5=t3**2
t1 t4
t6
t2
/
e f
2
t6=t4+t5
F
BEGIN COBEGIN t1=a-b t2=c-d t3=e/f COEND COBEGIN t4=t1*t2 t5=t3**2 COEND t6=t4+t5 END 问题：上面的表示具有最大的并行度吗？请改写程序。
退出临界区且
开锁置 x =0
(starvation)
加锁 / 开锁原语实现进程间互斥的程序描述：
PROGRAM TASK X:=0; COBEGIN A : BEGIN LOCK(X) ; CSA; UNLOCK(X) ; B : BEGIN
LOCK(X) ; ; CSB UNLOCK(X) ;
X+1 的处理过程： (1) R : = x
内存 已预定票数 x
(2) R : = R+1 (3) x : = R 其中，R是累加器
终端1
终端2
设 x 的初值是100
假定有两个终端在售票，其进程分别为 P1：... ; x : = x + 1 ; ... P2：... ; x : = x + 1 ; ... 具体执行过程为 P1：... ; R1 : = x ; R1 : = R1 + 1 ; x : = R1 ; ... P2：... ; R2 : = x ; R2 : = R2 + 1 ; x : = R2 ; ... P1和P2两个进程发生的时间不同，将会造成不同 的结果。例如，R1 : = x 执行完后 R2 : = x 才执行， 这时会得到错误的结果 x = 101，而不是 102。（在 单处理机的情况考虑中断也有类似的结果）
检测和设置指令(功能描述)

function Test_and_Set(var flag:boolean):boolean begin Test_and_Set:=flag; flag:= true; end Z-8000: TEST ; IBM370: TS

交换指令(功能描述)：交换两个字的内容.
S
F
5.1.3并行程序设计的特点
并行程序设计的根本特点:并行性,共享性
顺序程序设计 并行程序设计
顺序运行模式 程序环境封闭性 进程并行，异步地在系统内运行，并以不同 速度向前推进 系统中同时存在多个进程，均可以异步访问 它所要访问的共享资源，不再完全独占，且 程序（或进程）还可以被其他进程改变。 只有遵循并行程序设计的原则正确设计，才 可以保证其运行结果的确定性！否则将是不 确定的，且是不可再现的。
加锁原语 lock(x) 定义如下：
（1）测试 x 是否为零；
（2）若 x = 0，则 1 x ；
（3）若 x = 1，则返回到（1）。 操作(1)和(2)是不可分割的整体，否则可能会出错 ( 见下页图）。 通常这两步由一条硬指令“测试与设置”（TS） 在一个内存周期内完成。所以，整个加锁原语只需要 两条指令。
该进程由三个子பைடு நூலகம்程组成： 读入进程 R
复制进程 C
打孔进程 P
若 R、C、P 顺序执行，则输出结果是正确的， 但速度慢且资源利用率低。
R1
C1
P1
R2
C2
P2

若 R、C、P 并发执行，则效率会提高，但输出 结果会不确定。因为R、C、P 的执行顺序完全是不 可预料的。下面是我们希望的一种顺序：

flag[i]=true 进程Pi要进入临界段 turn=i 允许进程Pi进入临界段
软件解决方法五

var flag:array[0..n-1] of (idle,want_in,in_cs); turn:0..n-1; Pi:begin var j:integer; repeat repeat flag[i]:=want_in; while turn<>i do if flag[turn]=idle then turn:=i; flag[i]:=in_cs; j:=0; while (j<n)and (j=i or flag[j]<>in_cs) do j:=j+1; until j>=n; 。。。。。。
END COEND ENDPROGRAM
END

软件解决方法一:进程标志位

var flag:array[0..1] of boolean; Pi:begin repeat while flag[j] do skip; flag[i]:=true; 进程Pi的临界段代码CSi; flag[i]:=false; 进程Pi的其它代码; forever end flag[i]= true 进程i在临界段中执行； flag[i]= false 进程i不在临界段中执行。 问题:当两个进程的标志位初值均为false时,则都进入— 违背原则一!
产生上述与时间有关的错误的原因是：并发进 程的执行过程中存在公共变量，从而产生交互作 用，相互影响。 公共变量：允许若干个进程访问和修改的变量，
如数据、表格、队列、缓冲区等。它们可以是共
享的物理资源，也可以是并发进程之间交换的数
据（比如，例1中的缓冲区，例2中的变量 x）。
5.2.2 进程间的关系 在系统中具有公共变量的并发进程间存在着 不同的相互制约关系，它们可归结为两种：
程序运行结果确定 性
5.2 进程间的同步与互斥
5.2.1 与时间有关的错误 例1. 编制一个卡片复制程序（进程的同步） 设有 N 张卡片要复制，要求输出的卡片与原 先的卡片内容和顺序完全一致。又假定缓冲区 的容量只能存放一张卡片的信息。
读入 复制 打孔
Read
卡片输入机
S
Copy
T
Punch
卡片打孔机
临界区实现方法:
– 软件方法（复杂,局限性大）; – 硬件指令（简单实用,使用广泛）; – 信号量（P,V操作）
5.3 同步机制
系统中用来实现进程间同步或互斥的机构称为同步机构。 它是由若干条同步原语组成的，用来控制对公共变量（临界 资源）的访问。
5.3.1 软件实现方法
加锁 / 开锁
用一个锁位 x（布尔变量）来表示公共变量当前 是否允许访问。若 x = 0，表示可以访问；若 x = 1， 表示它正被别的进程访问，暂时不能用。
S
P1 P2 P3
S
P6 P2 P1 P2 P3 P4 P5 P3
S
P1 P5 P4 P8 P7
F
串行
F
并行
F
串并行 混合
2、并行语言
荷兰著名的计算机科学家 Dijkstra 在1965年提出并行语句记 号：
COBEGIN
S1 ; S2 ; ...... ; Sn COEND
其中：
– COBEGIN/COEND 相当一个括号，表示其中的所有语句 S1、S2、......、Sn 是可并行执行的。 – 可嵌套 – Si: 简单语句，复合语句，并行语句。 – 编译程序为每个并行语句Si设置一个进程。 常见的并行语言：并行PASCAL，CSP/K语言，MODULA语 言，扩充的Ada等
第5章 并行性----互斥和同步
5.1 概论
5.1.1 并行性的概念（并行程序设计）
并行技术可以分为：
硬件并行----指多种硬件设备并行工作，如CPU 与通道并行、外部设备之间并行等。
软件并行----指多个程序或一个程序的各程序段 的运行在时间上重叠（并行程序设计）。
5.1.2 程序并行性的表示 1、有向图
（1）同步关系（直接制约） ：多个进程共同完 成一个任务,它们之间必须协同动作, 互相配合,相互 交换信息--进程通信 （2） 互斥关系（间接制约） ：多个进程共享资 源，互斥资源的使用具有排它性，因此进程间往往需 要互相竞争，以使用这些互斥的资源。也可看成一种 特殊的同步关系!
重点讨论互斥问题
[问题] 系统中任意两个进程之间不是同步关系， 就是互斥关系，对吗？
5.2.3 临界段（临界区） 临界资源(critical resource)：每次只允许一个进程 使用的资源（公共变量）（临界资源是公共的） 临界区(critical section, CS)：每个进程中访问临界 资源（公共变量）的那一段程序（每个进程有自己 的临界区） 临界区的设计原则： （1）每次至多只允许一个进程进入临界区； （2）若有多个进程同时要求进入临界区，应在有 限时间内让其中之一进入临界区，不要互相“拥挤” 或“谦让”； （3）进程在临界区内只能逗留有限时间。 （4）（5）（6） …… P82

Dekker算法扩充到n个进程共享一个公用变量 的情况.
5.3.2 互斥的硬件方法
1、中断屏蔽方法：提高进程临界段的中断优先级，不让中断
来打扰 ：
屏蔽中断（disable interrupts）; 进程Pi的临界段代码Csi ; 开中断（enable interrupts）;
： 特点：简单而有效 只适合单处理机系统 代价较高 2、硬件指令方法 （1）TS(Test-and-Set) : 检测和设置指令 （2）Swap指令：交换指令 特点：简单而有效 适合于单处理机系统和共享主存的SMP 适合于多临界段的情况
软件解决方法四：Dekker算法

var flag:array[0..1] of boolean; /*初值false turn:0..1; Pi:begin repeat flag[i]:=true; while flag[j] do if turn=j then begin flag[i]:=false; while turn=j do skip; flag[i]:=true; end 进程Pi的临界段代码CSi; turn:= j; flag[i]:=false; 进程Pi的其它代码; forever end