3-2012-秋季-同步与互斥

free: 临界区空闲标志 true: 有进程在临界区 false:无进程在临界区 初值：?
软件解法2
P:
…… while (turn !=0 ) ; 进入临界区 turn = 1; ……
Q: …… while (turn !=1 ) ; 进入临界区 turn = 0; ……
？
turn: 谁进临界区标志 0: P进程进临界区 1: Q进程进临界区 初值：?
• 进程的相对执行速度不可预测
• 进程/线程之间的制约性
• 并发程序执行的结果与其执行的 相对速度有关，是不确定的
问题的提出
进程之间如何传递消 息？线程呢？ compete and/or cooperate 确保各个进程(线程)的关 键活动不会出现交错 相互协作的进程(线程) 如何正确执行？
进程间通信
while (pturn) { if (turn == 1) { qturn = false; while (turn == 1); qturn = true; }} 临界区
第一个 1965
turn = 2; pturn = false;
turn = 1; qturn = false;
……
……
软件解法5——Peterson算法
是一种卓有成效 的进程同步机制 1965年，由荷兰
struc semaphore 学者Dijkstra提出 { int count; queueType queue; } 信号量说明：semaphore s; 对信号量可以实施的操作：初始化、P和V（P、V分别是 荷兰语的test(proberen)和increment(verhogen)）
f get copy put
g
cobegin get; copy; put; coend
s
t
并发执行过程分析
f
g,c,p g,p,c c,g,p c,p,g p,c,g p,g,c (4,5,...,m) (4,5,...,m) (4,5,...,m) (4,5,...,m) (4,5,...,m) (4,,...,m)
思考题
void producer(void) { int item; while(TRUE) { item=produce_item(); P(&empty); void consumer(void) { int item; while(TRUE) { P(&full); P(&mutex);
硬件解法1—中断屏蔽方法
“开关中断”指令
执行“关中断”指令 临界区操作 执行“开中断”指令
while (true) {
/* /* /* /* disable interrupts */; critical section */; enable interrupts */; remainder */;
g1
c1
并发环境下程序间的制约关系
竞争条件（race condition）
两个或多个进程读写 某些共享数据，而最 后的结果取决于进程 运行的精确时序
进程互斥

由于各进程要求使用共享资源（内存、文件等）， 而这些资源需要互斥使用，因此，各进程之间竞 争使用这些资源，进程的这种关系为进程互斥
临界资源：critical resource 系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这 样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量 临界区（互斥区）：critical section(region) 对某个共享的数据结构（共享资源）进行操作的 程序片段
软件解法3
P:
…… pturn = true; while (qturn) ; 临界区 pturn = false; ……
pturn, qturn: 初值为false P进入临界区的条件: ？ Q进入临界区的条件: ？
Q: …… qturn = true; while (pturn) ; 临界区 qturn = false; ……

硬件方案

屏蔽中断、TSL(XCHG)指令

软件方案 锁、Dekker解法、Peterson解法
软件解法1
P:
…… while (free) ; free = true; 临界区 free = false; ……
lock()
unlock()
Q: …… while (free) ; free = true; 临界区 free = false; ……
与时间有关的错误——例子1
飞机订票系统，两个终端，运行T1、T2进程
T1: ... read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x); ...
T2: ... read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x); ...
与时间有关的错误——例子2
#define FALSE 0 #define TRUE 1 #define N 2 // 进程的个数 int turn; // 轮到谁？ int interested[N]; // 兴趣数组，初始值均为FALSE void enter_region ( int process) // process = 0 或 1 { int other; // 另外一个进程的进程号 other = 1 - process; interested[process] = TRUE; // 表明本进程感兴趣 turn = process; // 设臵标志位 while( turn == process && interested[other] == TRUE); }


临界区(互斥区)的使用原则

任何两个进程不能同时处于其临界区中 不应对CPU的速度和数量做任何假设 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程 不得使进程无限期等待进入临界区
A进入临界区
A离开临界区
进程A B要进入 临界区
进程B B被阻塞 时间 B进入临 界区 B离开临 界区
实现进程互斥的方案
s
3 3 3 3 3 3
t
2 3 3 2 2 2 3
g
(1,2) (1,2,3) (1,2,2) X (1,2,2) X (1,2,2) X (1,2,2) X (1,2,2) X
初始状态 (3,4,...,m) 2 可能的执行
设信息长度为m，有多少种可能性？
进程前趋图
p1 p2 c2 g2 g3 ci pi
{
int item; while(TRUE) { if(count==0) sleep(); item=remove_item(); count=count-1; if(count==N-1)
insert_item(item);
count=count+1; if(count==1) wakeup(consumer); } } } }
P2
P(mutex)
P3
P(mutex) V(mutex)
临界区
用信号量解决生产者/消费者问题
void producer(void) { int item; while(TRUE) { item=produce_item(); P(&empty); void consumer(void) { int item; while(TRUE) { P(&full); P(&mutex);
操作系统高级课程 Operating Systems Advanced Class
北京大学软件与微电子学院 2012秋季 陈向群
进程同步机制
基本概念 同步机制——信号量 同步机制——管程

从进程的特征出发
• 程序的执行是间断性的
并发是所有 问题的基础 并发是操作 系统设计的 基础
并发
共享 不确定 性
wakeup(producer);
consume_item(item); 一种场景：消费者 判断count=0后进 入睡眠前被切换
进程的同步
进程同步：synchronization 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
具体地说，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，该进程进入阻塞态，获得消息 后被唤醒进入就绪态
/*# of slots in the buffer*/
/*a special kind of int*/ /*controls access to critical */ /*counts empty buffer slots*/
int full = 0;
/*counts full buffer slots */
P(&mutex);
insert_item(item); V(&mutex) V(&full); } }
#define N 100
typedef int semaphore; semaphore mutex =1; semaphore empty =N;
item=remove_item();
V(&mutex); V(&empty); consume_item(item); } }
生产者/消费者问题
#define N 100 void consumer(void)
int count=0;
void producer(void) { int item; while(TRUE) { item=produce_item(); if(count==N) sleep(); 检查 count 的值
软件解法4——Dekker算法
P: ……
pturn = true; while (qturn) { if (turn == 2) { pturn = false; while (turn == 2); pturn = true; }} 临界区