4.1并发执行问题

指完成同一任务的伙伴进程间， 指完成同一任务的伙伴进程间，因 需要在某些位置上协调它们的工作而等 传递信息所产生的制约关系。 待、传递信息所产生的制约关系。 ♦ 互斥关系（亦称间接制约关系） 互斥关系（亦称间接制约关系） 即进程间因相互竞争使用独占型资 互斥资源）所产生的制约关系。 源（互斥资源）所产生的制约关系。
子进程用户态程序从 此开始运行， 此开始运行，该点得 到的返回值是0 到的返回值是0
－ － － fork（） － － －
fork()： － trap － return
用户态
sys_fork():
核心态
–exit（status）：进程结束。该系统调用 exit（status）：进程结束。 exit ）：进程结束 发出后，操作系统将从系统中删除调用exit 发出后，操作系统将从系统中删除调用exit 的进程。 的进程。 –wait（&status）：等待子进程结束。当有 wait（ ）：等待子进程结束 wait &status）：等待子进程结束。 多个子进程时， 多个子进程时，任一个子进程结束即将控制 返回调用者，并将子进程调用exit status） exit（ 返回调用者，并将子进程调用exit（status） 时的status值送到&status指针所指单元中。 status值送到&status指针所指单元中 时的status值送到&status指针所指单元中。 在控制返回调用者时， 在控制返回调用者时，同时将所等到的子进 pid作为wait（）系统调用函数的返回值。 作为wait（）系统调用函数的返回值 程pid作为wait（）系统调用函数的返回值。 –waitpid（pid，…）：等待pid所指定的进 waitpid（ ）：等待pid所指定的进 waitpid pid， ）：等待pid 程结束。 程结束。
第七讲 并发执行问题
♦ 目的与要求 了解可并行程序的高级语 目的与要求：了解可并行程序的高级语
言表示与操作系统支持； 言表示与操作系统支持；了解并发执行 引起的同步与互斥问题。 引起的同步与互斥问题。 ♦ 重点与难点：可并行程序的同步与互斥 重点与难点： ♦ 作业：1, 3, 例举两个现实生活中需要同 作业： 步与互斥的例子。 步与互斥的例子。
若能辅以其它手段 （如本章后续将介绍 的信号量机置）， ），并 的信号量机置），并 发语句可以大大增加 其描述能力。 其描述能力。
并发执行实现
♦ 实现并发执行，需要通过操作系统支持 实现并发执行，
的进程或线程机制。 的进程或线程机制。
♦ 操作系统提供进程（线程）创建，结束 操作系统提供进程 线程）创建， 进程（
和同步的系统调用， 和同步的系统调用，可直接提供给用户 的系统调用 编写并行程序； 编写并行程序；或由并行语言编译器将 并发语言的语句转化为对操作系统的系 统调用。 统调用。
与进程相关的系统调用
♦ 它提供了如下系统调用： 它提供了如下系统调用： –fork（）：创建一个新进程。该系统调用 fork（）：创建一个新进程。 fork（）：创建一个新进程 执行完成后，系统已创建了一个子进程， 执行完成后，系统已创建了一个子进程，该 子进程逻辑复制（共享）了父进程的程序， 子进程逻辑复制（共享）了父进程的程序， 复制了父进程的数据段和栈段。也就是说不 复制了父进程的数据段和栈段。 管是父进程还是子进程，在占有处理机后， 管是父进程还是子进程，在占有处理机后， 都从系统调用的返回点开始运行， 都从系统调用的返回点开始运行，父进程系 统调用的返回值是子进程的进程标识pid pid； 统调用的返回值是子进程的进程标识pid； 子进程的返回值是0 子进程从trap trap指令后 子进程的返回值是0，子进程从trap指令后 一条指令开始运行。 一条指令开始运行。
并发程序设计语言 --- 并发语句
♦ 是在传统高级语言基础上增加描述并发
的语句。 的语句。 ♦ 语法形式 S1；S2； Sn Sn； Parend； Parbegin S1；S2； …Sn； Parend； Si（i=1， Si（i=1，2，…，n） 是单个语句 ， Parbegin和Parend之间的语句可以并发执 Parbegin和Parend之间的语句可以并发执 行
并发语句示例
♦ 右面计算任务可以描述为： 右面计算任务可以描述为：
Parbegin S1； S2； Parend； Parend； S3
S1
S2
S3
并发语句描述手段的优缺点
♦ 并发语句Parbegin/Parend的结构化特征 并发语句Parbegin/Parend Parbegin/Parend的结构化特征
4.2.1 同步与临界段问题 例1：同步问题。如果进程P1执行S1，S3 同步问题。如果进程P1执行S1， P1执行S1 进程P2执行S2 P2执行S2， P1在执行S3之前必须等 在执行S3 进程P2执行S2，则P1在执行S3之前必须等 P2执行完S2。 执行完S2 待P2执行完S2。
S1 S2
第四章
进程同步与通讯、 进程同步与通讯、进程死锁
两个层次的并发需求
♦ 程序设计要利用操作系统对并发的支持
进程或线程）， ），安排可并行事务并发 （进程或线程），安排可并行事务并发 执行。 执行。 ♦ 操作系统核心程序也要尽可能地并发运 行。
4.1 并发编程
♦ 计算任务存在可并行成分
S1 S2
S3
First First
NEXT NEXT INST INST
NEXT INST
Nil INST
P1 P2 … Pm C1 C2 …Cn
共享N个缓冲区
数据结构 typedef struct{ …… item； // 消息类型 } item； typedef struct{ *next; struct buffer *next; inst； struct item inst； buffer； } buffer； // 缓冲类型 struct buffer *P，*C，*First; struct item nextp，nextc; First= nil;
A(amount){ R1=balance; R2=amount; R1=R1+R2; balance=R1; }; B(amount) { R1=balance; R2=amount; R1=R1-R2; balance=R1; };
互 斥 执 行
Parend;
例4：有限缓冲区的生产者/消费者问题 有限缓冲区的生产者/ 生产者和消费者共享一个产品缓冲链） （生产者和消费者共享一个产品缓冲链）
多进程实现前述的计算任务并发
=fork（ pid =fork（ ）； ==0 if (pid ==0 )then { S2； exit（ exit（0）； } else S1； wait（ wait（）； S3；
4.2 进程的互斥与同步
♦ 同步关系（亦称直接制约关系） 同步关系（亦称直接制约关系）
S3
P1、P2两进程使用同一打印机 两进程使用同一打印机。 例2： P1、P2两进程使用同一打印机。如 果不互斥使用会交叉输出 P1 Entry code
使用打印机
P2 Entry code
使用打印机
exit code
exitbalance的互斥访问 例3: 存取钱对共享变量balance的互斥访问 Parbegin
非常好 ♦ 但存在着描述能力不强的缺点，即存在 但存在着描述能力不强的缺点， 着用Parbegin/Parend Parbegin/Parend语句无法描述的并 着用Parbegin/Parend语句无法描述的并 发优先关系（如下图）。 发优先关系（如下图）。
S 2 S 4 S 5
S 1
S 3
S 6 S 7
Parbegin Producer(){ do{ … produce an item in nextp; ... new(P); #获得一空缓冲区 P.inst=nextp; P.next=First; First=P; }while(1); };
Consumer(){ do{ while (first==nil) ; #空循环等 C=First; first=first.next; nextc=C.inst; dispose(C); #释放缓冲区 … consume the item in nextc; … }while(1); }; Parend;
T0：consumer T1：producer T2：producer T3：consumer
C= First P.next= First First= P First= First.next
则会发生生产者加入队列的缓冲区丢失 临界资源（critical resource）：一次仅允 一次仅允 许一个进程使用的资源 临界段（critical section) ：各进程必须互 各进程必须互 斥执行的程序段。 斥执行的程序段。
S1和S2两个子任务可并发执行 S1和S2两个子任务可并发执行
♦ 并发编程三种方法： 并发编程三种方法：
–程序员写顺序程序，用自动识别工具 程序员写顺序程序， 程序员写顺序程序 识别可并行成分， 识别可并行成分，组织使用操作系统 的进程或线程实现并发。 的进程或线程实现并发。 –由程序员识别可并行成分，用并发程 由程序员识别可并行成分， 由程序员识别可并行成分 序设计语言设计并发程序， 序设计语言设计并发程序，由编译系 统安排使用进程或线程； 统安排使用进程或线程； –在传统语言基础上，利用操作系统的 在传统语言基础上， 在传统语言基础上 进程或线程系统调用设计并发程序。 进程或线程系统调用设计并发程序。