讲义--进程管理-2讲

进程管理38
多个缓冲区的生产者和消费者 同步问题： P进程不能往“满”的缓冲区中放产品，设置信号量 empty,初值为n，用于指示空缓冲区数目。 Q进程不能从“空”的缓冲区中取产品，设置信号量 full,初值为0，用于指示满缓冲区数目。 互斥问题： 设置信号量mutex，初值为1，用于实现临界区（环 形缓冲池）的互斥。 另设整型变量I,j,初值均为0，I用于指示空缓冲区， j用于指示有产品的满缓冲区。
如果写者到：
1）无读者，新写者可以写 2）有读者，新写者等待 3）有其它写者，新写者等待
进程管理42
第一类读者写者问题的解法
读者： while (true) { P(mutex); readcount ++; if (readcount==1) P (w); V(mutex); 读 P(mutex); readcount --; if (readcount==0) V(w); V(mutex); }; 写者： while (true) { P(w); 写 V(w); };
进程管理10
使用临界区的原则：
前提：任何进程无权停止其它进程的运行 进程之间相对运行速度无硬性规定 进程互斥的解决有两种做法: 由竞争各方平等协商 引入进程管理者，由管理者来协调竞争各 方对互斥资源的使用
进程管理11
互斥 一组并发进程中的一个或多个程序段，因共享 某一公共资源而导致它们必须以一个不允许交 叉执行的单位执行。
进程管理29
使用P、V操作实现进程之间的互斥
S初值为1，进程A、B竞争进入临界区：
进程A P（S）； 临界区操作； V（S）；
进程B P（S）； 临界区操作； V（S）；
进程管理30
使用P、V操作实现进程间的同步
S1、S2初值都为0，S1表示缓冲区中是否装满信息，S2表示 缓冲区中信息是否被取走。 进程B ⋮ P（S1）； 把信息从缓冲区取走； V（S2）； ⋮
进程管理40
读者写者问题 问题描述：
有两组并发进程: 读者和写者,共享一组数据区 要求： 允许多个读者同时执行读操作 不允许读者、写者同时操作 不允许多个写者同时操作
进程管理41
第一类：读者优先 如果读者到：
1）无读者、写者，新读者可以读 2）有写者等，但有其它读者正在读，则新读者也可以读 3）有写者写，新读者等
进程管理6
进程的同步（直接作用）
进程的同步：synchronism 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。
进程管理7
例:
Q： repeat P(full); 从缓冲区取产品; V(empty); 消费产品; until false;
进程管理36
多个缓冲区的生产者和消费者
放消息
取消息
P
Q
......
i
j
n
n个缓冲区 (Buffer)
进程管理37
多个缓冲区的生产者和消费者
Q 消费方向 K-2 K-1 0
…
ห้องสมุดไป่ตู้
P
…
3 2
1 生产方向
进程管理24
P、V操作
P(s) { s.value = s.value -1; if (s.value < 0) { 该进程状态置为等待状态 将该进程的PCB插入相应的等待队列末尾s.queue；重 新调度，直到有其他进程在S上执行V操作。 } }
进程管理25
P、V操作 V(s) { s.value = s.value +1; if (s.value < = 0) { 唤醒相应等待队列s.queue中等待的一个进程 改变其状态为就绪态，并将其插入就绪队列 } }
进程管理26
P、V操作原语的软件实现加锁 注意：这里锁施于一个锁变量上，不是施于临界资源上。 P(sem):
Begin 封锁中断； lock(lockbit);如果P操作进行一半，V操作开始会产生什么问题 Sem=sem-1 If sem<0 保护当前进程的现场，当前进程状态置为等待，将当前 进程插入sem等待队列，转进程调度 fi Unlock（lockbit）； 打开中断。 End
进程管理39
多个缓冲区的生产者和消费者
P： i = 0; while (true) { 生产产品; P(empty); P(mutex); 往Buffer [i]放产品; i = (i+1) % k; V(mutex); V(full); }; Q： j = 0; while (true) { P(full); P(mutex); 从Buffer[j]取产品; j = (j+1) % k; V(mutex); V(empty); 消费产品; };
UNLOCK算法： 查看W等待队列，如果不空，则 唤醒等待进程 恢复等待进程的现场，使它进入就绪队列 设置锁位为0 返回
进程管理14
锁原语特点：实现互斥简单；效率很低
N Y
W=0？
W:=1 访问临界区 W:=0 退出临界区
进程管理15
互斥方法2：信号灯及P-V操作
1. 用S信号灯指示一进程工作 S大于等于零，表示可以供并发进程使用的 资源数；小于零表示等待该资源的进程数。 Q是初始为空的队列
同步问题： P进程不能往“满”的缓冲区中放产品， 设置信号量empty,初值为1，用于指示空缓冲 区数目。 Q进程不能从“空”的缓冲区中取产品，设 置信号量full,初值为0，用于指示满缓冲区数 目。
进程管理35
经典的生产者─消费者问题（续2）
P： repeat 生产一个产品; 送产品到缓冲区; V(full); P(empty); until false;
进程管理18
V操作原语V(S) ： V（S）： S= S+1 如果 S〈=0 则：得到等待队列的首进程，恢复为就 绪状态 否则，进程继续执行。 释放资源
进程管理19
用P、V操作实现互斥模型
设S初始值为1 A进程 ： ……… P（S） 互斥工作段 V（S） ……… B进程： ……… P（S） 互斥工作段 V（S）
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
进程管理9
临界区（互斥区）：critical section 临界区:进程访问临界资源的那段代码。 相关临界区:多个进程的临界区 使用临界区的原则： 有空让进：当无进程在互斥区时，任何有权使用互斥区 的进程可进入。 无空等待：不允许两个以上的进程同时进入互斥区。 多中择一：当没有进程在临界区，而同时有多个进程要 求进入临界区，只能让其中之一进入临界区，其他进 程必须等待。 有限等待：任何进入互斥区的要求应在有限的时间内得 到满足。 让权等待：处于等待状态的进程应放弃占用CPU，以使 其他进程有机会得到CPU的使用权。
进程管理32
信号量及P、V操作讨论（续） P.V操作的优缺点 优点： 简单，而且表达能力强（用P.V操作可解决任
何同步互斥问题）
缺点： 不够安全；P.V操作使用不当会出现死锁；遇 到复杂同步互斥问题时实现复杂
进程管理33
4.3.4 经典的进程同步互斥问题
1.生产者－消费者问题
进程管理34
经典的生产者─消费者问题（续1）
第三章 进程管理
3.5 进程同步与互斥
临界区：不允许多个并发进程交叉执行的一段程序
引起：一个进程对公共变量（或共享资源）部分 的操作，每次只准一个进程占用，占用后不允许 其它进程进入。例如，打印机是互斥资源
进程管理2
临界区管理：①一次只准一个进程进入临界区②本进程结束负责通知下一进程③进程调度，不
竞争到某一物理资源时不允许其它进程 进入
进程管理12
互斥方法1：锁/开锁（LOCK/UNLOCK）原语
共享资源，设置一锁位： 设w = 0 共享资源可用；w = 1共享资源不可用。 LOCK（w） L: if w=0 then w:=1 else go to L； UNLOCK（w） w:=0
进程管理13
进程管理27

V(sem):
Begin 封锁中断； lock(lockbit); Sem=sem+1 If sem<=0 从sem等待队列选择一个等待进程，将其插 入就绪队列，进程状态置为就绪 fi Unlock（lockbit）； 打开中断。 End
进程管理28
信号量的取值
S值的大小表示某类资源的数量： S>0:还有资源可分配； S<0：其绝对值表示信号量等待队列中进 程的数目； P操作：要求分配一个资源； V操作：释放一个资源。
………
进程管理20
3.同步机制 同步的定义：并发进程之间在执行时序上的一种 相互制约关系。 同步机制的基本要求: 1、描述能力强，即能解决各种进程间同步互斥问题； 2、容易实现且效率高； 3、使用方便。 已有的同步机制： 硬件，信号量及P、V操作，管程，条件临界域，路 径表达式（集中式系统），RPC（分布式系统）
进程管理16
PV操作原语特点
优点： ① 克服了LOCK／UNLOCK 原语中CPU 忙碌查询、 等待现象 ② 不仅能解决进程同步，还能解决互斥问题 缺点： ① 增加了程序复杂性，尤其交换一批信息时效率低 ② 程序不正常退出时，查找做了Ｐ没有做Ｖ不方便
进程管理17
P操作原语P(S) ：
信号灯的值只能够由P、V操作来改变。 信号量 S=1 P（S）： S =S-1 ， 如果S〈 0 则，保护进程现场，进入等待队列Q中，置 等待标记，转进程调度 否则继续执行，分配资源 。
进程A ⋮ 把信息送入缓冲区 V（S1）； P（S2）； ⋮