操作系统教程第3章-3 进程的同步与互斥

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记录型信号量
抽象成 S（信号量） （信号量） value≥0 ≥ L=nil
一类资源
记录型信号量
信号量S 记录型数据结构,一个分量为整型量value, value,另 信号量S：记录型数据结构,一个分量为整型量value,另 一个分量为信号量队列 L；
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信号量的物理含义
输入 进程PI 进程
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缓冲区
计算 进程PC 进程
缓冲区
打印 进程争关系(间接制约关系)的手段。 是解决进程间竞争关系(间接制约关系)的手段。 间接相互制约关系（互斥） 间接相互制约关系（互斥） 是指若干个进程同时竞争一个需要互斥使用 是指若干个进程同时竞争一个需要互斥使用 一个 的资源时，任何时刻最多允许一个进程去使用，其 的资源时，任何时刻最多允许一个进程去使用， 他要使用该资源的进程必须等待， 他要使用该资源的进程必须等待，直到该资源被释 进程间要通过某种中介发生联系， 无意识安 放。进程间要通过某种中介发生联系，是无意识安 排的。 排的。 产生的原因 资源共享 互斥是一种特殊的同步 逐次使用互斥资源， 逐次使用互斥资源，也是对进程使用资源次序 上的一种协调。 上的一种协调。
P、V操作既可以实现互斥，也可以实现同步 、 操作既可以实现互斥 操作既可以实现互斥，
Swap(int lock, int key) { int temp; temp=lock; lock=key; key=temp }
交换指令的应用
int lock=0; 每个进程定义一个局部变量 int key; 进入临界区前执行： 进入临界区前执行： key=1; do swap(lock, key) while key=0; 离开临界区后执行： 离开临界区后执行： lock=0;
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P、V操作讨论 、 操作讨论
P(S)：表示申请一个资源 ： V(S)：表示释放一个资源。 ：表示释放一个资源。 P、V操作必须成对出现，有一个 操作就一定 操作必须成对出现， 、 操作必须成对出现 有一个P操作就一定 有一个V操作 有一个 操作 P、V操作的优点 、 操作的优点 简单，而且表达能力强，可解决任何互斥问题 简单，而且表达能力强， P、V操作的缺点 、 操作的缺点 不够安全，P、V操作使用不当会出现死锁，遇 不够安全， 、 操作使用不当会出现死锁， 操作使用不当会出现死锁 到复杂互斥问题时，实现复杂。 到复杂互斥问题时，实现复杂。
对于n个并发进程，互斥信号量的取值范围是？ 对于 个并发进程，互斥信号量的取值范围是？ 个并发进程 (n-(n-1) ～1
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利用记录型信号量实现进程互斥
P1
P2
P(mutex) P(mutex) V(mutex) V(mutex) 互斥区
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利用P、 操作实现两个进程互斥的模板如下 操作实现两个进程互斥的模板如下： 利用 、V操作实现两个进程互斥的模板如下：
产生的原因
进程合作
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进程的同步（ ） 进程的同步（2）
一般同步问题有两类
保证一组合作进程按逻辑需要的执行次序执行 P1 【例】司机 REPEAT 启动 正常运行 到站停 UNTIL FALSE 售票员 P2 REPEAT 关门 售票 开门 UNTIL FALSE
保证共享缓冲区（共享数据） 保证共享缓冲区（共享数据）的合作进程的同步 【例】
struct semaphore mutex; mutex.value=1; mutex.L=nil; { cobegin Process P1:{ M P(mutex); 临界区1 临界区 V(mutex); M } Process P2:{ M P(mutex); 临界区2 临界区 V(mutex); M } coend }
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使用PV操作实现互斥应注意 使用PV操作实现互斥应注意 PV
识别临界资源
是否被共享; 是否被共享 是否有排它性使用要求。 是否有排它性使用要求。
临界区代码应尽量短小，不能有死循环。 临界区代码应尽量短小，不能有死循环。 P和V原语应分别紧靠临界区的头尾。 原语应分别紧靠临界区的头尾。 和 原语应分别紧靠临界区的头尾 P、V操作在同一进程中必须成对出现。 操作在同一进程中必须成对出现。 、 操作在同一进程中必须成对出现
remainder section; /*剩余区 剩余区*/ 剩余区
……
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访问临界区应遵循的原则
空闲让进 当无进程在临界区时， 当无进程在临界区时，任何有权使用临界区 的进程可进入。 的进程可进入。 忙则等待 不允许两个以上的进程同时进入临界区。 不允许两个以上的进程同时进入临界区。 有限等待 任何进入临界区的要求应在有限的时间内得 到满足。 到满足。 让权等待 不能进入临界区的进程应放弃占用CPU CPU。 不能进入临界区的进程应放弃占用CPU。
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用P、V操作实现互斥 、 操作实现互斥
信号量初值为1 信号量初值为 对于两个并发进程，互斥信号量的值仅取1、 和 对于两个并发进程，互斥信号量的值仅取 、0和1三个值 ： 三个值
若mutex.value＝1表示没有进程进入临界区 ＝ 表示没有进程进入临界区 若mutex.value＝0表示有一个进程进入临界区 ＝ 表示有一个进程进入临界区 表示一个进程进入临界区， 若mutex.value ＝-1表示一个进程进入临界区，另一个 表示一个进程进入临界区 进程等待进入。 进程等待进入。
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临界资源 临界资源
系统中某些资源一次只允许一个进程 系统中某些资源一次只允许一个进程 使用， 使用，称这样的资源为临界资源或互斥 资源或共享变量。 资源或共享变量。
硬件临界资源：打印机、磁带机 硬件临界资源：打印机、 软件临界资源：只能排它使用的变量、表格、 软件临界资源：只能排它使用的变量、表格、 队列
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硬件解法（3） 硬件解法（ ）
进入临界区前执行： 进入临界区前执行： 执行“关中断” 执行“关中断”指令 离开临界区后执行： 离开临界区后执行： 执行“开中断” 执行“开中断”指令
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信号量机制
一类资源
抽象成
S（信号量） （信号量）
信号量 只能由P 操作对其进行操作的变量。 只能由P、V操作对其进行操作的变量。 信号量的使用应注意 必须置一次且只能置一次初值 初值只能为非负整数 只能执行P 只能执行P、V操作
S .value >0: 表示有 .value个资源可用 表示有S S .value =0: 表示无资源可用 S .value <0: 则| S .value|表示等待队列中的进程 表示等待队列中的进程 个数
信号量的值( 信号量的值(-2) 信号量队列指针
信号量的初值应该大于等于0 信号量的初值应该大于等于
在进程中访问临界资源的那段代码区。 在进程中访问临界资源的那段代码区。 例子
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具有临界资源的进程结构
…… entry section critical section; exit section /*进入区 进入区*/ 进入区 /*临界区 临界区*/ 临界区 /*退出区 退出区*/ 退出区
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整型信号量
一类资源
抽象成
S（信号量） （信号量）
整型量
整型信号量 信号量S：整型量，除初始化外仅能通过P 信号量 ：整型量，除初始化外仅能通过P、V 操作访问 操作原语定义： P和V操作原语定义： S=1 int S; S=1; P(S)： while S ≤0 do no-op ： S = S -1； ； V(S )：S = S +1； ： ；
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临界资源实例
二人合作存款
count=100; PA S1:N=count; S2:N=N+100; S3:count=N; 执行情况： 执行情况：
（1） PA—> PB ,PB—> PA ） （2） S1 ） S1—> PB—>S2—>S3 （3） S4 ） S4—> PA—>S5—>S6
测试与设置指令的使用 int lock=0; M /*进入临界区前执行 进入临界区前执行*/ 进入临界区前执行 while TS(lock) do skip; 临界区 /*离开临界区后执行 离开临界区后执行*/ 离开临界区后执行 lock:=0; M
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硬件解法（2） 硬件解法（ ）
交换指令
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PB S4:M=count; S5:M=M+200; S6:count=M;
count=400 √ count=200 × count=300 ×
是一个互斥性使用的变量， 因count是一个互斥性使用的变量，是一个临界资源 是一个互斥性使用的变量
临界区
临界区（临界段） 临界区（临界段）
第3章 进程管理
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 进程的引入 进程的结构 进程控制 进程的同步与互斥 进程间通信 进程调度 死锁 线程
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两种制约关系
直接相互制约关系（同步） 直接相互制约关系（同步） 间接相互制约关系（互斥） 间接相互制约关系（互斥） 产生的原因
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记录型信号量描述
struct semaphore { int value; int *L; } void P(struct semaphore S); { S.value = S.value – 1; /* 把信号量减去 */ 把信号量减去1 if S.value < 0 then block(S.L); /* 若信号量小于 ，则调用 若信号量小于0，则调用P(S)的进 程被置成等待信号量 的状态 */ 的进 程被置成等待信号量S的状态 } 物理意义：申请一个资源，如果申请成功，则返回；如果申请不成功， 物理意义 ： 申请一个资源 ， 如果申请成功 ， 则返回 ； 如果申请不成功 ， 则挂在 该资源的等待队列上。 该资源的等待队列上。 void V(struct semaphore S); { S.value = S.value + 1; /* 把信号量加 */ 把信号量加1 if S.value <= 0 then wakeup(S.L); /* 若信号量小于等于 ，则释放一个等待信号量 的进程 */ 若信号量小于等于0，则释放一个等待信号量s的进程 } 物理意义：归还一个资源，如果没有进程等待该资源，则返回； 物理意义 ： 归还一个资源 ， 如果没有进程等待该资源 ， 则返回 ； 如果有进程在 等待，把等待的进程从L上移到就绪队列 上移到就绪队列。 等待，把等待的进程从 上移到就绪队列。