第3章 进程同步与通信-同步

/* 将进程阻塞，并将其投入等待队列s.queue */
}
P操作
V操作：释放资源操作
① sem加1
② 若 sem 加 1 后结果大于 1 ，则 V 停止操作，该进程返回调用处 ，继续执行；
③ 若sem加1后小于或等于零，则 该进程转就绪队列，同时进程 调度选取一个等待队列中的进 程转运行或就绪。
P,V操作必须用原语实现。
结论：
当mutex≥0时其值表示可用资源个数； 当mutex＜0时其绝对值表示等待进程的个数。
思考： n个并发进程，共享m个共享资源：
mutex的取值范围为？
22
答


同一类资源：
– m-n ≤ mutex ≤ m
不同类资源：
– 需要m个mutex – 1-n ≤ mutex ≤ 1
同步进程举例 直接制约 同步定义 私用信号量 PV原语实现进程同步 生产者－消费者问题 哲学家进餐问题
int s2 =1； cobegin doctor( )；test( )； coend
}
对于化验员的操作步骤： test { wait(化验单);
化验…
出化验结果… signal(有化验结果); }
31
对于医生的操作步骤： doctor {
给病人看病…
signal(化验单);
wait(化验结果);
16
x代表某航班的可用座位数，p1和p2两个售票进程， 售票工作是对变量x减1。试用信号量的P、V操作 实现这两个进程的互斥。 设：mutex为互斥信号量,
p1( ) { …… p(mutex)； …… x:=x-1 ； v(mutex)； …… } } p2( ) { …… p(mutex)； …… x:=x-1 ； v(mutex)； ……
40
描述：
Pc:
A:P(bufempty) 计算 buf计算结果 V(buffull) Goto A
Pp: B:P(buffull) 打印buf中的数据 清除buf中的数据 V(bufempty) Goto B
返回
41
直接制约 一组在异步环境下的并发进程，各自
的执行结果互为对方的执行条件，从
而限制各进程的执行速度的过程称为 并发进程间的直接制约。
51
设信号量 mutex：用于访问缓冲区时的互斥，初值是1 empty ：为生产者进程的私用信号量，表示有 界缓冲区中的空单元数，初值为n； full： 为消费者进程的私用信号量，表示缓冲 区中非空单元数，初值为0 。
信号量(semaphore)
管理相应临界区的公有资源，它代
表可用资源实体。
3
信号量是一个整型变量。 ≥0：可供并发进程使用的资源实体数
＜0：正在等待使用临界区的进程数
用于互斥的信号量初值应该大于零
4
8. P,V原语
信号量的初值只能由P,V原语操作。
P:passeren V:verhoog
P操作：申请资源操作
48
49
它们之间满足：
① 消费者想接收数据时，有界缓冲区中至少有 一个单元是满的；
② 生产者想发送数据时，有界缓冲区中至少有 一个单元是空的。 生产者-消费者问题是同步关系
50
当有进程在写数据时（如生产者进程）则同
时不允许对该缓冲区进行读操作（如消费者
进程）。 故有界缓冲区是临界资源，进程必须互斥访 问。 生产者-消费者问题同时也具有互斥关系
●哲学家进餐问题
●打磕睡的理发师问题
生产者-消费问题
消费者：系统中使用某一类资源的进程称为 该资源的消费者。 生产者：释放同类资源的进程称为该资源的 生产者。
计算进程和打印进程共享缓冲区的例子中， 计算进程把数据送入缓冲区， 打印进程从缓冲区中取数据， 则计算进程可看作数据资源的生产者， 打印进程可看作是消费者。
18
分析
共享临界资源：20个同类的售票窗口 先来者先进入

算法描述
⑴．主函数算法： main() { int mutex=20; cobegin P1(); … Pi();… Pn(); coend }
⑵．购票者i的算法： Pi() { P(mutex); 购票； V(mutex); }
⑶．信号量mutex的取值范围：
－(n－20) ≤ mutex ≤ 20 其物理含义是：
当mutex=20时，表示售票厅内没有购票者进入，20个窗口都是 空闲的，表示可用资源个数；
当mutex=0时，表示售票厅内已经进入了20个购票者，每个窗口 都被分配，没有等待的购票者，可用资源为0； 当mutex=－(n－20)时，表示一共有n个购票者，其中20个购票者 已经进入厅内，分别占有一个窗口，还有n－20个购票者在厅 外等待，绝对值表示等待进程个数。
种信号量为私用信号量。
互斥时使用的是公用信号量 返回
45
用P,V原语操作实现同步
用P,V原语操作实现进程同步的方法：
①为各并发进程设置私用信号量 ②为私用信号量赋初值 ③利用 P,V 原语和私用信号量规定各进程
的执行顺序。
返回
46
●
3.2经典进程同步问题
●生产者——消费者问题 ●读者——写者问题
/* 唤醒阻塞进程，将其从等待队列s.queue 取出，投入就绪队列*/
}
V操作
对于化验员的操作步骤：
test { P(s2); 化验…
出化验结果…
V(s1); }
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对于医生的操作步骤： doctor {
给病人看病…
V(s2);
P(s1);
继续诊病… }
36
同步进程举例2
Pc
Pp
buffer
V（mutex）；
15
如果有n个终端，则mutex信号量的取值范围为：
－（n－1）≤mutex≤1 其物理含义为： 当机票数空闲时，mutex=1。 当有一个终端进入，对机票进行处理，其它终端进 程还没有到来时，mutex=0。 当所有终端进程都到来，且有一个正在对机票进行 处理时， mutex= －（ n － 1 ）。它表示有 n － 1 个 进程在等待队列上等待。
继续诊病… }
32
信号灯的PV操作
void wait(semaphore s) { s.value = s.value - 1; if (s.value < 0) block(s.queue);
/* 将进程阻塞，并将其投入等待队列s.queue */
}
P操作
信号灯的PV操作
void signal(semaphore s) { s.value = s.value + 1; if (s.value <= 0) wackup(s.queue);
24
1.同步进程举例1-病人就诊
唤 醒 后
门诊医生： 等 待 …… 开化验单； …… 等 等化验结果； 待 …… 继续诊病；
化验员： …… 等化验单； …… 唤 化验； 醒 填写化验结果； 后 ……
化验单
继续诊病
化验结果
对于医生的操作步骤： 有病人时：
① 开化验单（化验单多一个） ② 等待化验结果
12
思考： n个并发进程，共享m个共享资源：
mutex的取值范围为？
13
互斥问题举例2 [ 例] 假设某飞机定票系统在 t0时刻有 A、 B 、 C、 D四个终端程 序同时都要对机票库中的某航班当前剩余票数 X 进行操作。 如果每个终端程序的当前定票需求为 N，并对共享变量X进行 如下操作：
在机票数据库中取出当前剩余票数X； 判断X>0（有票吗）？ 如果有， X≥N（票够吗）？ 如果够，则出票（打印票据）； X＝X－N（修改剩余票数）； 将X回写到数据库中；
10
信号量可能的取值范围 假设有 N 个并发进程共用一台打印机，设 互斥信号量mutex的初值为1，则：
信号量mutex代表什么？
mutex的取值范围为多少？ mutex的值分别代表什么含义？
11
N个并发进程，互斥信号量mutex的初值为1： mutex的取值范围为：1～-(N-1) 1 ：表示没有进程进入临界区。有一个资源，无 进程等待； 0：表示有1个进程进入临界区。无资源，无进程 等待； -i ：表示 1 个进程进入 临界区 。无资源，且有 i (i<=N-1)个进程等待进入。
7
信号灯ຫໍສະໝຸດ BaiduPV操作
void signal(semaphore s) { s.value = s.value + 1; if (s.value <= 0) wackup(s.queue);
/* 唤醒阻塞进程，将其从等待队列s.queue 取出，投入就绪队列*/
}
V操作
用信号灯解决互斥问题
semaphore mutex=1; P1: while (1){ P(mutex); 临界区; V(mutex); 剩余区; };
第3 章
进程同步与通信
●进程同步与互斥
本章要点
●经典进程同步问题
●AND信号量 ●管程
●进程通信
进程同步的基本概念
●同步：指多个进程中发生的事件存在着某种时
序关系，它们必须按规定时序执行，以共同完成 一项任务 。 ●互斥：多个进程不能同时使用同一资源。 ●临界资源：某段时间内仅允许一个进程使用的 资源。 ●临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码。
Pp: B:wait(buffull) 打印buf中的数据 清除buf中的数据 buffullfalse signal(bufempty) Goto B
wait等待合作进程发来的消息 signal向合作进程发送消息
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main()
{ int bufempty=1,buffull=0; cobegin Pc(); Pp(); coend }
① sem减1 ② 若sem减1后仍大于1或等于零， 则P返回，进程继续； ③ 若 sem 减 1 后小于零，则该进程 阻塞转等待队列中。
5
信号灯的PV操作
void wait(semaphore s) { s.value = s.value - 1; if (s.value < 0) block(s.queue);
③（有化验结果）继续诊病
27
对于化验员的操作步骤：
①等化验单 ②（有化验单时）进行化验
（未化验的化验单少一个）
③出化验结果（化验结果多一个）
④等待下一化验单
28
需要两个信号量 s1: 表示化验结果是否出来,初值为0. s2：表示医生是否开化验单，初值为0.

程序描述
main( )
{
int s1 =0；
14
针对临界资源机票数设置一个信号量mutex，初值 为1。每个终端进程中的程序描述如下：

P（mutex）；
在机票数据库中取出当前剩余票数X；
判断X>0（有票吗）？
如果有， X≥N（票够吗）？ 如果够，则出票（打印票据）； X＝X－N（修改剩余票数）； 将X回写到数据库中；
互斥问题举例3
某车站售票厅有20个窗口，任何时刻最多可容 纳20名购票者进入，当售票厅中少于20名购票 者时，则厅外的购票者可立即进入，否则需在 厅外等待。若把一个购票者看作一个进程，请 用P、V操作管理这些并发进程，要求如下： ⑴．在主函数中给出信号量的定义和初值。 ⑵．给出一个购票者进程的算法。 ⑶．给出当购票者最多不超过n (设n>20)个时， 信号量可能的变化范围。
37
利用过程 wait 和 signal 可简单地描述计算 进程Pc和打印进程Pp的同步关系：
设消息名 bufempty 表示 buf 空，消息名
buffull表示buf中装满了数据。
bufempty=true，buffull=false
38
描述：
Pc:
A:wait(bufempty) 计算 buf计算结果 bufemptyfalse signal(buffull) Goto A
返回
42
同步的定义 异步环境下，一组并发进程，因直 接制约而互相发送消息而进行相互 合作，互相等待，使得各进程按一
定的速度执行的过程称为进程间同
步。
返回
43
合作进程：具有同步关系的一组
并发进程称为合作进程。 消息：合作进程间互相发送的信
号称为消息或事件。
返回
44
私用信号量 把进程间发送的消息看作信号量，则这种 信号量只与制约进程及被制约进程有关而 不是整组并发进程有关(如进程互斥)，称这
P2: while (1){ P(mutex); 临界区 V(mutex); 剩余区; };
互斥进程举例1－两个进程共享一台打印机 设信号量print代表打印机，初值为1. pa() int main(void) { { P(print); int print=1; 使用打印机 V(print); cobegin } pa(); pb(); pb() coend { } P(print); print=1 表示没有进程使用打印机 使用打印机 print=0 表示一个进程在用，没有进程等待 V(print); print=-1 表示一个进程在用，另一个在等待 }