同步与互斥
第三章进程管理4(同步和互斥1)
1
进 程 管 理
执行
挂起
激活 活动就绪 挂起 释放 激活 活动阻塞 静止阻塞 释放 静止就绪
挂起
2
进 程 管 理
创建和撤销 阻塞和唤醒 挂起和激活
3
进 程 管 理
3.5 进程的同步与互斥
进程的同步和互斥机制的主要任务：控 制并发执行的诸进程之间能有效地共享 和相互协作，同时使并发执行的程序仍 具有可再现性。 进程互斥 进程同步 利用信号量机制解决具体问题
9
进 程 管 理
一种简便的实现方法是： 一种简便的实现方法是：
lock(x)= begin local v repeat v x until v=1 (临界资源成为可用） 临界资源成为可用） 临界资源成为可用 x 0 end
10
进 程 管 理
不过，这种方法是不能保证并发进程互斥执 不过，这种方法是不能保证并发进程互斥执 行所要求的准则（ 行所要求的准则（3）的（只允许一个进程进入 临界区）。为了解决这个问题， ）。为了解决这个问题 临界区）。为了解决这个问题，有些机器在硬件 中设置了“测试与设置(test set)指令 指令” 中设置了“测试与设置(test and set)指令”。 此外，有一点需要注意的是： 此外，有一点需要注意的是：在系统试验时锁定 key[S]总是设置在公有资源所对应的数据结构 为key[S]总是设置在公有资源所对应的数据结构 中的。 中的。
23
进 程 管 理
s.value的物理含义
当s.value>0数值时，表示某类可用资源的数量。 而当s.value<0数值时，表示该类资源已分配完。 若有进程请求该类资源，则被阻塞，其绝对值 等于等待该类资源的进程数。 每次的P(s)操作，意味着进程请求分配该类资 源的一个单位资源。相反，执行一次V(s) 操作 意味着进程释放相应资源的一个单位资源。当 值小于等于0时，表明有进程被阻塞，需要唤 醒。
操作系统第6章 进程互斥与同步
Co-begin void Producer_i( ) (i=1,2…k) { item next_p; while(1){ produce an item in next_p P(empty); P(s); add next_p to buffer V(s); V(full); } } void consumer_j( ) (j=1,2…m) { item next_c; while(1){ P(full); P(s); remove an item from buffer to next_c V(s); V(empty); consume the item in next_c}} Co-end
• 进入临界段之前要申请，获得批准方可进入； • 退出临界段之后要声明，以便其他进程进入。
用程序描述： While(1){ entry_section; critical_section; exit_section; remainder_section; }
解决临界段问题的软件算法必须遵循：
准则1:不能虚设硬件指令或假设处理机数目。 准则2:不能假设n个进程的相对速度。 准则3:当一个进程未处于其临界段时，不应阻止 其他进程进入临界段。 准则4:当若干进程欲进入临界段时，应在有限时 间内选出一个进程进入其临界段。 用准则3，4不难推出下面原则 协调各进程入临界段的调度原则： • 当无进程处于临界段时，允许一个进程立即进入临界段。
3.实现临界段的硬件方法
利用处理机提供的特殊指令实现临界区加锁。 常见硬件指令有: ⑴ “Test_and_Set”指令 该指令功能描述为： int *target ( 限定为0,1） int Test_and_Set (int *target) { int temp; temp = *target ； *target = 1; return temp; }
进程的同步与互斥实验报告
进程的同步与互斥实验报告1.实验目的进程（线程）的同步与互斥是操作系统中非常重要的概念，本实验旨在通过实际操作，加深对这些概念的理解和掌握。
通过编写多个进程（线程），并在其间进行同步与互斥操作，验证同步与互斥的实际效果。
2.实验环境本实验在Linux系统下进行，使用C/C++语言编程。
3.实验内容3.1同步在实验中，我们编写了两个进程A和B，这两个进程需要按照特定的顺序执行。
为了实现同步，我们使用信号量机制来确保进程A和B按照正确的顺序执行。
3.2互斥在实验中，我们编写了多个进程C和D，这些进程需要同时对一个共享资源进行访问。
为了实现互斥，我们使用互斥锁机制来确保同一时刻只有一个进程访问共享资源。
4.实验过程4.1同步实验编写进程A和进程B的代码，使用信号量机制实现同步。
进程A先运行，然后通过信号量唤醒进程B，进程B再开始执行。
通过观察进程的运行顺序，验证同步机制是否起作用。
4.2互斥实验编写进程C和进程D的代码，使用互斥锁机制实现互斥。
进程C和进程D同时对一个共享资源进行访问，通过互斥锁来确保同一时刻只有一个进程访问共享资源。
观察进程的输出结果，验证互斥机制是否起作用。
5.实验结果5.1同步实验结果进程A开始执行进程A执行完毕进程B开始执行进程B执行完毕5.2互斥实验结果进程C开始执行进程C访问共享资源进程C执行完毕进程D开始执行进程D访问共享资源进程D执行完毕6.实验分析通过上述结果可以看出，同步实验中进程A和进程B按照正确的顺序执行，证明了同步机制的有效性。
互斥实验中进程C和进程D能够正确地交替访问共享资源，证明了互斥机制的有效性。
7.实验总结通过本次实验，我深刻理解了进程（线程）的同步与互斥，并通过实际操作加深了对这些概念的理解。
同步和互斥是操作系统中非常重要的概念，对于应对资源竞争和提高程序性能具有重要意义。
在实际开发中，我们应该合理使用同步和互斥机制，以确保程序的正确性和并发执行的效率。
互斥与同步
互斥与同步互斥与同步是计算机科学中两个重要的概念，它们是多线程编程中必须掌握的知识点。
本文将介绍互斥与同步的概念、原理、实现方式以及应用场景。
一、互斥1.1 概念互斥是指在多线程并发执行时，对于共享资源的访问需要保证线程之间的排他性，即在任意时刻只有一个线程能够访问共享资源。
1.2 原理互斥的实现基于锁机制，即在访问共享资源前获取锁，在使用完毕后释放锁。
这样可以保证在任意时刻只有一个线程能够获得锁，从而避免了多个线程同时访问共享资源造成的数据竞争问题。
1.3 实现方式常见的实现方式包括：（1）临界区：将对共享资源的访问限制在一个代码块内，在进入临界区前获取锁，在离开临界区后释放锁。
（2）信号量：通过计数器来控制同时进入临界区的线程数量，当计数器为0时表示当前没有进入临界区的线程，当计数器大于0时表示当前有进入临界区的线程。
（3）互斥量：是一种特殊的信号量，只能被一个线程获取，其他线程需要等待该线程释放互斥量后才能获取。
1.4 应用场景互斥常用于对共享资源的访问控制，例如多个线程同时访问同一个文件、数据库或网络连接等。
二、同步2.1 概念同步是指在多线程并发执行时，保证线程之间的协调和顺序性，使得程序按照预期的顺序执行。
2.2 原理同步的实现基于信号机制，即在某个条件满足时通知其他线程进行操作。
例如，在生产者-消费者模型中，当生产者生产了数据后需要通知消费者进行消费。
2.3 实现方式常见的实现方式包括：（1）条件变量：通过等待和唤醒操作来实现对某个条件的等待和通知。
（2）事件对象：是一种特殊的条件变量，可以通过事件对象来设置和清除事件状态，并在事件状态发生改变时通知其他线程进行操作。
（3）屏障：是一种同步原语，在多个线程到达屏障点时会被阻塞，直到所有线程都到达后才会继续执行。
2.4 应用场景同步常用于对线程之间的协调和顺序性控制，例如在多个线程之间进行任务分配、消息传递等。
三、互斥与同步的关系互斥和同步是两个相互依存的概念。
互斥与同步
互斥与同步介绍互斥与同步是计算机科学中重要的概念，用于解决多任务并发执行时可能出现的数据竞争和资源冲突问题。
互斥指的是一段代码或一段逻辑在同一时间只能由一个线程或进程访问，而同步则是指多个线程或进程之间按照一定顺序进行协调和通信。
在多线程或多进程环境中，互斥与同步是必不可少的。
正确的使用互斥和同步机制可以保证程序的正确性和可靠性，同时提高系统的性能和资源利用率。
本文将详细探讨互斥与同步的概念、实现方法以及在不同场景下的应用。
互斥概念互斥的定义互斥是指多个并发执行的线程在访问共享资源时遵循一种规则，以防止彼此产生冲突。
互斥机制通常使用互斥量或锁来实现，通过对共享资源进行加锁和解锁操作，确保每一时刻只有一个线程可以访问该资源。
互斥的目的互斥的目的是保护共享资源，避免数据竞争和资源冲突。
当多个线程同时对共享资源进行读写时，如果没有互斥机制的保护，可能会导致数据不一致或错误的结果。
互斥的实现方式互斥可以通过互斥量、信号量和自旋锁等方式来实现。
互斥量互斥量是一种计数信号量，其内部维护一个资源和一个等待队列。
当一个线程请求互斥量时，如果资源没有被占用，则线程可以获得互斥量并将其标记为占用状态；如果资源已经被占用，则线程将被阻塞，加入到等待队列中，直到资源被释放。
信号量是一种标识资源可用数量的计数器。
当一个线程请求信号量时，如果计数器大于零，则线程可以继续执行；如果计数器等于零，则线程将被阻塞，直到计数器大于零。
自旋锁自旋锁是一种忙等待的锁机制，它不会使线程阻塞，而是通过循环不断地尝试获取锁。
自旋锁适用于锁定时间短、竞争激烈的情况，避免了线程切换的开销。
同步概念同步的定义同步是指多个线程或进程之间按照一定的顺序进行协调和通信，以共同完成任务。
同步机制可以保证多个线程或进程的操作按照一定的规则和顺序执行，避免产生不一致或错误的结果。
同步的目的同步的目的是保证程序的正确性和可靠性。
当多个线程或进程同时执行时，如果没有同步机制的控制，可能会导致竞争条件和数据不一致。
详解进程同步与互斥机制
详解进程同步与互斥机制⽬录⼀、什么是进程同步⼆、什么是进程互斥三、常见的进程同步与互斥机制⼀、什么是进程同步在多道批处理系统中，多个进程是可以并发执⾏的，但由于系统的资源有限，进程的执⾏不是⼀贯到底的，⽽是⾛⾛停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
那么，进程的异步性会带来什么问题呢？举个例⼦，如果有 A、B 两个进程分别负责读和写数据的操作，这两个线程是相互合作、相互依赖的。
那么写数据应该发⽣在读数据之前。
⽽实际上，由于异步性的存在，可能会发⽣先读后写的情况，⽽此时由于缓冲区还没有被写⼊数据，读进程 A 没有数据可读，因此读进程 A 被阻塞。
进程同步（synchronization）就是⽤来解决这个问题的。
从上⾯的例⼦我们能看出，⼀个进程的执⾏可能影响到另⼀个进程的执⾏，所谓进程同步就是指协调这些完成某个共同任务的并发线程，在某些位置上指定线程的先后执⾏次序、传递信号或消息。
再举个⽣活中的进程同步的例⼦，你想要喝热⽔，于是你打了⼀壶⽔开始烧，在这壶⽔烧开之前，你只能⼀直等着，⽔烧开之后⽔壶⾃然会发⽣响声提醒你来喝⽔，于是你就可以喝⽔了。
就是说⽔烧开这个事情必须发⽣在你喝⽔之前。
注意不要把进程同步和进程调度搞混了：进程调度是为了最⼤程度的利⽤ CPU 资源，选⽤合适的算法调度就绪队列中的进程。
进程同步是为了协调⼀些进程以完成某个任务，⽐如读和写，你肯定先写后读，不能先读后写吧，这就是进程同步做的事情了，指定这些进程的先后执⾏次序使得某个任务能够顺利完成。
⼆、什么是进程互斥同样的，也是因为进程的并发性，并发执⾏的线程不可避免地需要共享⼀些系统资源，⽐如内存、打印机、摄像头等。
举个例⼦：我们去学校打印店打印论⽂，你按下了 WPS 的 “打印” 选项，于是打印机开始⼯作。
你的论⽂打印到⼀半时，另⼀位同学按下了 Word 的 “打印” 按钮，开始打印他⾃⼰的论⽂。
想象⼀下如果两个进程可以随意的、并发的共享打印机资源，会发⽣什么情况？显然，两个进程并发运⾏，导致打印机设备交替的收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论⽂的内容混杂在⼀起了。
同步互斥原则
同步互斥原则同步互斥原则是计算机科学中一个重要的概念，用于解决多进程或多线程并发执行时可能出现的数据竞争和不一致性问题。
本文将详细介绍同步互斥原则的概念、原理、常见的同步互斥机制以及在实际应用中的使用。
1. 概念同步互斥原则是指在多进程或多线程的并发执行中，为了保证数据的一致性和正确性，需要对共享资源进行同步访问和互斥访问。
同步表示多个进程或线程按照一定的顺序执行，互斥表示多个进程或线程不能同时访问共享资源。
2. 原理在并发执行中，多个进程或线程可能同时访问共享资源，导致数据竞争和不一致性。
同步互斥原则通过引入临界区和互斥锁来解决这个问题。
•临界区：临界区是指一段代码，在同一时间只允许一个进程或线程执行。
在进入临界区前，需要获得互斥锁，执行完临界区代码后，释放互斥锁。
这样可以保证同一时间只有一个进程或线程访问共享资源，避免数据竞争和不一致性。
•互斥锁：互斥锁是一种同步原语，用于保护临界区的访问。
当一个进程或线程获得互斥锁后，其他进程或线程需要等待，直到互斥锁被释放才能继续执行。
互斥锁可以通过软件或硬件实现，常见的实现方式有信号量、互斥量等。
3. 同步互斥机制为了实现同步互斥原则，常见的同步互斥机制有以下几种：•信号量：信号量是一种计数器，用于控制多个进程或线程的访问。
当信号量的值大于0时，进程或线程可以继续执行；当信号量的值等于0时，进程或线程需要等待。
信号量可以用于实现互斥锁、条件变量等。
•互斥量：互斥量是一种特殊的信号量，只能取两个值：0和1。
当互斥量的值为0时，表示资源被占用；当互斥量的值为1时，表示资源空闲。
进程或线程在访问临界区前，需要先获取互斥量，获取成功后将互斥量的值置为0，表示资源被占用；执行完临界区后，释放互斥量，将其值置为1，表示资源空闲。
•条件变量：条件变量用于实现进程或线程间的同步和通信。
一个进程或线程可以等待某个条件变为真，而另一个进程或线程可以通过改变条件变量的值来通知等待的进程或线程。
05进程管理三互斥和同步一
23
记录型信号量和wait、signal原语
• 信号量是一个确定的二元组（value, L）， value 是一个具有非负初值的整型变量，L 是 一个初始状态为空的队列。 • value代表资源的实体。在实际应用中应准确地说
明s的意义和初值，每个信号量都有一个队列，其初 始状态为空。 – 初始化指定一个非负整数值，表示空闲资源总数 （又称为"资源信号量"）－－若为非负值表示当前 的空闲资源数，若为负值其绝对值表示当前等待 临界区的进程数
17
2.3.2 信号量(semaphore)
二、利用整型信号量实现互斥
Begin Repeat … wait(mutex); Critical section Signal(mutex) Remainder section Until false; end
while mutex≤0 do no-op mutex:=mutex-1. mutex:=mutex+1
20
a S2
d S4 S5
S1 b S3
c
g f e S6
21
利用信号量来描述前趋关系---例2 var a,b,c,d,e,f,g:semaphore:=0,0,0,0,0,0; begin prabegin begim s1;signal(a);signal(b);end; begin wait(a);s2;signal(c);signal(d);end; begin wait(b);s3;signal(g);end; begin wait(c);s4;signal(e);end; begin wait(d);s5;signal(f);end; begin wait(e); wait(f); wait(g);s6;end. parend end.
操作系统实验报告——进程同步与互斥
操作系统实验报告——进程同步与互斥一、实验内容本实验主要内容是通过编写程序来实现进程的同步与互斥。
具体来说，是通过使用信号量来实现不同进程之间的同步和互斥。
我们将编写两个进程，一个进程负责打印奇数，另一个进程负责打印偶数，两个进程交替打印，要求打印的数字从1开始，直到100结束。
二、实验原理进程的同步是指多个进程之间按照一定的顺序执行，进程之间互相等待的关系。
而进程的互斥是指多个进程竞争同一个资源，需要通过其中一种方式来避免同时访问共享资源，以免造成数据错乱。
在本实验中，我们使用信号量来实现进程的同步与互斥。
信号量是一个计数器，用于表示一些共享资源的可用数量。
进程在访问共享资源时，需要先对信号量进行操作，当信号量大于0时，表示资源可用，进程可以访问；当信号量等于0时，表示资源不可用，进程需要等待。
进程同步的实现可以通过信号量的P操作与V操作来完成。
P操作用于申请资源，当资源可用时，将计数器减一，并进入临界区；V操作用于释放资源，当资源使用完毕时，将计数器加一，使等待资源的进程能够申请。
进程互斥的实现可以通过信号量的P操作与V操作结合临界区来完成。
当多个进程需要访问共享资源时，需要先进行P操作，进入临界区，访问完毕后进行V操作，离开临界区。
三、实验步骤1.首先，我们需要创建两个进程，一个进程负责打印奇数，另一个进程负责打印偶数。
2. 然后，我们创建一个共享变量count，用来记录打印的数字。
3. 接着，我们创建两个信号量odd和even，用来控制进程的同步与互斥。
odd信号量初始值为1，表示打印奇数的进程可以访问；even信号量初始值为0，表示打印偶数的进程需要等待。
4.编写奇数打印进程的代码，首先进行P操作，判断奇数信号量是否大于0，如果大于0，表示可以打印奇数。
5. 如果可以打印奇数，将count加一，并输出当前的奇数，然后进行V操作，释放偶数打印进程的等待。
6.同样的，编写偶数打印进程的代码，首先进行P操作，判断偶数信号量是否大于0，如果大于0，表示可以打印偶数。
并发性：互斥和同步
此两种进程必须遵循一定的规则
利用信号量实现进程同步-2
• 为了实现进程同步，需采用同步信号量。 • 设置一个同步信号量full，它代表的资源是缓冲器满，它 的初值为0。这个资源是Print进程所拥有，Print进程可以 申请该资源，对它施加P操作，如条件满足Print进程可从 Buffer中取数。而Print进程的合作进程Compute对full信号 量施加V操作，即它可释放该资源。当Compute进程将数 据存入Buffer后，即可释放该资源供Print进程再使用。 • 设置另一个同步信号量empty，它代表的资源是缓冲器空， 它的初值为1 。缓冲器空这个资源是进程Compute所拥有， 它可以申请该资源，对它施加Print操作。而它的合作进程 Print对empty信号量施加V操作。
5.5 读者/写者问题
• 一个数据集（如文件）如果被几个并行进程所共享，有些 一个数据集（如文件）如果被几个并行进程所共享， 进程只要求读数据集内容，它称读者， 进程只要求读数据集内容，它称读者，而另一些进程则要 求修改数据集内容，它称写者， 求修改数据集内容，它称写者，几个读者可以同时读些数 据集，而不需要互斥，但一个写者不能和其它进程（ 据集，而不需要互斥，但一个写者不能和其它进程（不管 是写者或读者）同时访问些数据集，它们之间必须互斥。 是写者或读者）同时访问些数据集，它们之间必须互斥。 • 设置互斥信号量 信号量wmutex 表示写者间、读者和写者间互 表示写者间、 设置互斥信号量 读者和写者主要程序如下 程序如下： 斥，读者和写者主要程序如下： reader: writer: 第一个读者到时P（ P（wmutex） 第一个读者到时 （wmutex） ） （ ） Read Text Write Text 最后一个读者离开时 一个读者离开时V（ V（wmutex） 最后一个读者离开时 （wmutex） ） （
操作系统 进程管理三互斥和同步二
while TS(&lock); critical section lock = FALSE; remainder section
• 利用TS实现进程互斥：每个临界资源设置一个 公共布尔变量lock，初值为FALSE • 在进入区利用TS进行检查：有进程在临界区时， 重复检查；直到其它进程退出时，检查通过；
Test-and-Set指令
该指令读出标志后设置为TRUE boolean TS(boolean *lock) { boolean old; old = *lock; *lock = TRUE; return old; } lock表示资源的两种状态：TRUE表示正被占用， FALSE表示空闲
6
互斥算法（TS指令）
记录型信号量和wait、signal原语
• 信号量是一个确定的二元组（value, L）， value 是一个具有非负初值的整型变量，L 是 一个初始状态为空的队列。 • value代表资源的实体。在实际应用中应准确地说
明s的意义和初值;
– 初始化指定一个非负整数值，表示空闲资源总数（又称为―资源信号 量‖）－－若为非负值表示当前的空闲资源数，若为负值其绝对值表示 当前等待临界区的进程数
第n个缓冲区
•Empty:有多少空缓冲区，初值为n； •Full：有多少带数据的缓冲区，初值 为0
B[n-1]
生产者消费者问题（续4）
4 用信号量实现进程的同步--生产者－消费者问题
• 我们把上面的例子扩 充，假定缓冲区 buffer 是 一 个 有 界 缓 冲 区， 可存放 n 个数据，同时 假 定 有 n 个 CP 进 程 不 断地产生数据，并送 buffer ； 有 m 个 IOP 进 程 从缓 冲区 中 取数 据 打印。 • 在我们生活中有很多 这样的例子。
操作系统很全很详细的进程同步与互斥 问题
进程的同步
例1：请用信号量机制描述下列并发进程的同步关系。 请用信号量机制描述下列并发进程的同步关系。
S P1
P2
P3
P4 F
进程的同步
解法一：信号量表示进程能否开始。 解法一：信号量表示进程能否开始。 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程 、P2、 分别表示进程P1 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程P1、P2、 P3、P4能否开始执行，其初值m1为1，其余均为0。 P3、P4能否开始执行 其初值m1为 其余均为0 能否开始执行，
思考： 思考： 哪个信号量可以省略？ 哪个信号量可以省略？
m1 p4() {
P(m3) ； 执行p3； 执行p3； V(m4) ；
P(m4) ； P(m4)； P(m4)； 执行p4； 执行p4；
}
}
}
}
进程的同步
解法二：信号量表示进程是否结束。 解法二：信号量表示进程是否结束。 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程 、P2、 分别表示进程P1 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程P1、P2、 P3、P4是否结束，其初值均为0。 P3、P4是否结束 其初值均为0 是否结束，
进程的同步
例3-2：吃水果。 吃水果。 父亲 父亲 { 洗水果； 洗水果； 放水果； 放水果； } } P1 0 桔子 苹果 女儿 儿子 { 取桔子； 取桔子； 吃桔子； 吃桔子； } P2 女儿 P3 while(true) { 取苹果； 取苹果； 吃苹果； 吃苹果； 儿子
while (true)
p3() { while(1) { P(m3) ； 取苹果； 取苹果； V(m1)； V(m1)； 吃苹果； 吃苹果； } }
进程的同步
重温同步与互斥以及PV操作
重温同步与互斥以及PV操作重新温习一下这个概念,其实理解了最重要,PV操作也是基于这个理解基础上的一种机制而已.从其他网站抄了一下,操作系统的书本不会天天带在身边.互斥与同步互斥和同步是两个紧密相关而又容易混淆的概念。
互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。
但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
同步：是指在互斥的基础上(大多数情况)，通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。
在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。
少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源，如"第一类读写者模型"。
信号量(Semaphore)：信号量是一个资源计数器，当某线程获取某信号量时，信号量计数首先减1，如果计数小于0，那么该线程被阻塞；当某县城释放某信号量时，信号量计数首先加1，如果计数小于或等与0，那么唤醒某被阻塞的线程并执行之。
对信号量的总结如下：1.如果计数器m大于0，表示还有m个资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程被阻塞，新的线程访问资源也不会被阻塞；2.如果计数器m等与0，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中没有线程被阻塞，但新的线程访问资源会被阻塞；3.如果计数器m小于0，表示没有资源可以访问，此时信号量线程等待队列中有abs(m)个线程被阻塞，新的线程访问资源会被阻塞；信号量常被用于保证对多个资源进行同步访问。
关于PV操作：在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。
首先应弄清PV操作的含义：PV操作由P操作原语和V操作原语组成(原语是不可中断的过程)，对信号量进行操作，具体定义如下：P(S)：①将信号量S的值减1，即S=S-1；②如果S=0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。
V(S)：①将信号量S的值加1，即S=S+1；②如果S 0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
同步与互斥实例
(2)每个进程每次只拣一个子，当一个进程在 拣子时不允许另一进程去拣子；
(3)当一个进程拣了一个子（黑或白）以后， 必让另一个进程拣一个子（黑或白） 。
请用P、V操作管理两个并发进程，使其能正 确实现上述功能。
Var S1, S2: semaphore:=1,0;
理发师问题理发师问题l理发店里有一位理发师一把理发椅和n把供等候理发的顾客坐的椅子l如果没有顾客理发师便在理发椅上睡觉l一个顾客到来时它必须叫醒理发师l如果理发师
进程同步与互斥实例
同步实例
1.经典的生产者─消费者问题
生产者
消费者
1.经典的生产者─消费者问题
var B : integer;
empty:semaphore; /* 可以使用的空缓冲区数 */
process 小和尚: begin repeat P(empty); P(count); P(mutex1); 从井中取水； V(mutex1); P(mutex2); 送水入水缸； V(mutex2); V(count); V(full); until false;
end
Var mutex1, mutex2, empty, full, count: semaphore;
④在每个进程中用于实现互斥的PV操作必须成对出现；用于实现 同步的PV操作也必须成对出现，但可以分别出现在不同的进程中； 在某个进程中如果同时存在互斥与同步的P操作，则其顺序不能颠 倒，必须先执行对同步信号量的P操作，再执行对互斥信号量的P 操作，但V操作的顺序没有严格要求。
同步与互斥的解题步骤
full:semaphore;
/* 缓冲区内可以使用的产品数 */
empty := 1;
第五章互斥与同步-PPT课件
5.4 信号量
3.整型信号量 整型信号量是通过定义一个整型变量，如s ，和 两个标准的原子操作wait(s)和 signal(s)来 对s进行减1和增1操作，以实现对临界资源的 访问控制。这两个原子操作习惯上分别被称为 P操作和V操作。 两种实现方式：忙等待与阻塞等待。
Pi:
while(true) {… while(flag[j]);/*执行空语句等待*/ flag[i]=true; 执行csi /* 进程Pi的临界区*/ flag[i]=false;/*释放临界资源*/ …}
5.3 互斥
(2)用一个turn来指示哪个进程应该进入临界 区，turn=i表示pi可以进入临界区。
(2)硬件指令的方法
TS（Test-and Set）指令 bool founction TS (bool flag) { TS =flag; flag=true;/*关闭临界区*/ }
2.互斥的硬件解决方法
例：用TS硬件指令方法实现互斥
while(true) {while(TS(lock)); 执行csi lock=false; ……}
Pi: While(true) {… while(turn!=i); /*执行空语句等待*/ 执行csi; /*临界区*/ turn=j; /* (j!=i) 释放临界资源*/ … } 强制在两个进程之间轮换，不能满足空闲让进的原则！
(3)Dekker的软件解决方法（一种正确的方法） 初始化：flag[0]=flag[1]=false;turn可以为0或1； Pi: while(true) {flag[i]=true;/*标识想进入临界区的进程*/ while(flag[j]) {if(turn==j) { flag[i]=false; while(turn==j); flag[i]=true; }} 执行csi /*执行临界区代码*/ turn=j;flag[i]=false; …… }
同步和互斥的概念
同步和互斥的概念
同步和互斥是并发编程中的两个重要概念。
同步：同步是指在多个线程或进程之间协调其执行顺序的过程。
当多个线程或进程需要共享资源或相互依赖时，需要进行同步操作，以确保它们按照预定的顺序执行，避免出现竞态条件（Race Condition）或其他并发问题。
常见的同步机制有互斥量、信号量、条件变量等。
互斥：互斥是指一次只允许一个线程或进程访问共享资源的机制。
当某个线程或进程获得了对共享资源的访问权限时，其他线程或进程必须等待其释放资源后才能访问。
互斥机制通过加锁和解锁来控制资源的访问。
常见的互斥机制有互斥量（Mutex）和临界区（Critical Section）。
在并发编程中，同步和互斥通常是配合使用的。
通过同步机制确保线程或进程的执行顺序，避免数据竞争和并发问题的发生；而互斥机制则用于保护共享资源，确保同时只有一个线程或进程能够访问共享资源，避免多个线程或进程同时修改资源导致的数据一致性问题。
四种进程或线程同步互斥的控制方法
四种进程或线程同步互斥的控制方法进程或线程的同步与互斥是计算机操作系统中重要的概念，用于控制多个进程或线程之间的访问共享资源。
下面将介绍四种常用的进程或线程同步互斥的控制方法。
1. 互斥锁（Mutex）：互斥锁是最常用的同步互斥控制方法之一、当一些进程或线程获得了互斥锁后，其他进程或线程就无法获得该锁，只能等待锁的释放。
只有当获得互斥锁的进程或线程执行完毕后，才能释放锁，让其他进程或线程继续执行。
这种方式可以有效避免多个进程或线程同时访问共享资源而导致的冲突。
2. 信号量（Semaphore）：信号量是一种更加复杂的同步互斥控制方法。
信号量可以通过一个整型变量值来表示可用资源的数量。
当一个进程或线程需要访问共享资源时，首先会尝试获取信号量。
如果信号量的值大于0，则获取成功，可以继续执行；如果信号量的值等于0，则获取失败，进程或线程需要阻塞等待其他进程或线程释放信号量。
当进程或线程完成对共享资源的访问后，会释放信号量，使得其他进程或线程可以获取到它。
3. 条件变量（Condition Variable）：条件变量是一种比较高级的同步互斥控制方法。
条件变量不是用来保护共享资源的访问的，而是用来等待其中一种条件的发生。
当一个进程或线程需要等待其中一种条件满足时，会通过条件变量进行阻塞。
当条件满足后，其他进程或线程可以通过条件变量发送信号来唤醒等待的进程或线程。
4. 屏障（Barrier）：屏障是一种用于同步多个进程或线程的控制方法。
屏障会将进程或线程分为多个阶段，并在每个阶段结束时设置一个屏障。
当一个进程或线程到达屏障时，它会阻塞等待其他进程或线程到达。
只有当所有进程或线程都到达了屏障，才会释放它们，继续执行下一个阶段。
屏障可以用于控制多个任务的执行顺序，保证它们在一定时刻到达同一个点。
这四种方法都是常见的进程或线程同步互斥的控制方法，每种方法都有自己的适用场景和实现方式。
根据具体的应用需求和系统架构，可以选择合适的方法来实现进程或线程的同步与互斥。
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习题解答:∙何谓与时间有关的错误? 举例说明之。
答：并发进程的执行实际上是进程活动的某种交叉，某些交叉次序可能得到错误结果。
由于具体交叉的形成与进程的推进速度有关，而速度是时间的函数，因而将这种错误称为与时间有关的错误。
例如，两个并发进程的程序如下：int n=0;main( ){创建进程A；创建进程B；}；A( ){ while(1){ n++;}}; B( ){while(1){睡眠一段时间；printf(“%d”,n); n=0;}};假设进程A被部署在公园入口的终端上，用来记录一段时间内进入公园的人数，进程B被部署在公园的控制中心，用来输出一段时间内进入公园的总人数。
进程A和进程B共享全局变量n，n表示记录下的人数。
如果在进程B执行完打印语句后被进程A打断，进程A执行了若干次变量自增语句，之后进程B接着执行清0语句，那么进程A对n的累加丢失了，相当于进程B被打断的这段时间内进入公园的人没有被记录下来。
发生与时间有关的错误。
∙有人说，假设两个进程之间没有共享内存，则二者之间没有公共变量，这种说法准确吗? 说明原因。
答：如果只从用户空间考虑，这种说法是正确的。
但从操作系统的角度来说并不准确。
两个没有公共内存的用户进程可能同时（宏观）进入操作系统，并访问操作系统空间中的公共变量。
∙何谓忙式等待? 是否还有其它方式的等待? 比较它们之间的联系和差别。
答：不进入等待状态的等待称为忙式等待。
另一种等待方式是阻塞式等待，进程得不到共享资源时将进入阻塞状态，让出CPU给其他进程使用。
忙等待和阻塞式等待的相同之处在于进程都不具备继续向前推进的条件，不同之处在于处于忙等待的进程不主动放弃CPU，尽管CPU 可能被剥夺，因而是低效的；而处于阻塞状态的进程主动放弃CPU，因而是高效的。
∙下列进程互斥方法哪些存在忙式等待问题?（1）软件: 面包店算法(2) 硬件: TS指令(3) 关中断指令答：（1）、（2）存在忙等待问题。
∙为何开关中断进程互斥方法仅在单CPU系统中是有效的？答：关中断方法不适用于多CPU系统，因为关中断只能保证CPU不由一个进程切换到另外一个进程，从而防止多个进程并发地进入公共临界区域。
但即使关中断后，不同进程仍可以在不同CPU上并行执行关于同一组共享变量的临界区代码.∙在多处理机系统中，软件互斥方法是否有效？为什么？答：依然有效。
多处理机并行与单处理并发之间的差别在于程序交叉的粒度，单处理机机环境中进程交叉发生在指令之间，多处理机环境中进程交叉发生在指令周期之间。
由于纯软件互斥算法并不依赖特殊的硬件指令(如test_and_set)，指令之间的交叉与指令周期之间的交叉结果相同。
∙试分析临界区域的大小与系统并发性之间的关系。
答：关于同一组变量的临界区域是不能并发执行的代码，临界区越大，并发性越差，因而编写并发程序应尽量缩小临界区域范围。
∙设CR1是关于一组共享变量SV1的临界区域，CR2是关于另外一组共享变量SV2的临界区域，当进程P1进入CR1时，进程P2是否可以进入CR2? 为什么?答：可以。
因为互斥是在变量级别上的，多个进程同时进入关于不同变量的临界区不会引起与时间有关的错误。
∙Lamport面包店互斥算法是否会出现饿死情况?不会，该算法是公平的。
假定系统中共有n个进程，每个想要进入临界区域的进程(线程)在最坏的情况下需要等待其它n-1个进程进入并离开临界区域之后即可获得进入临界区域的机会，因而存在(忙式)等待的上界。
∙试用信号灯和PV操作实现临界区语句:region <共享变量> do <语句>变量类型<共享变量>答：semaphore s=1;P(s);<语句>V(s);11. 由V操作唤醒的进程是否一定能够直接进入运行状态? 举例说明之。
答：否。
一般来说，唤醒是将进程状态由等待状态变成就绪状态，而就绪进程何时获得处理机则是由系统的处理机调度策略确定的。
如果采用抢占式优先级调度算法，并且被唤醒的进程是当前系统中优先级最高的进程，那么该进程将被调度执行，其状态变成运行态。
如果该进程不是系统中优先级最高的进程或系统采用其它调度算法，那么该进程不会被调度执行，其状态将维持在就绪态。
12. 设S1和S2为两个信号灯变量，下列八组P、V操作哪些可以同时进行? 哪些不能同时进行? 为什么?(1)P(S1)，P(S2)(2)P(S1)，V(S2)(3)V(S1)，P(S2)(4)V(S1)，V(S2)(5)P(S1)，P(S1)(6)P(S2)，V(S2)(7)V(S1)，P(S1)(8)V(S2)，V(S2)答：能同时进行的包括：(1)、(2)、(3)、(4)。
这些操作涉及不同信号灯变量，属于关于不同组共享变量的临界区。
不能同时进行的包括：(5)、(6)、(7)、(8)。
这些操作涉及相同的信号灯变量，属于关于同一组共享变量的临界区。
13. 对于生产者—消费者问题，假设缓冲区是无界的，试用信号灯与PV操作给出解法。
答：由于是无界缓冲区，所以生产者不会因得不到缓冲区而被阻塞，不需要对空缓冲区进行管理，可以去掉在有界缓冲区中用来管理空缓冲区的信号量及其PV操作。
semaphore mutex_in=1;semaphore mutex_out=1;semaphore empty=0;int in=0，out=0;生产者活动：while(1){produce next product;P(mutex_in);add the product to buffer[in]; in++;v(mutex_in);V(empty);} 消费者活动：while(1){P(empty);P(mutex_out);take the product from buffer[out]; out++;V(mutex_out);}14. 设有一个可以装A、B两种物品的仓库，其容量无限大，但要求仓库中A、B两种物品的数量满足下述不等式:-M≤A物品数量－B物品数量≤N其中M和N为正整数。
试用信号灯和PV操作描述A、B两种物品的入库过程。
答：已知条件 -M≤A物品数量－B物品数量≤N可以拆成两个不等式，即A物品数量－B物品数量≤N，B物品数量－A物品数量≤M。
这两个不等式的含义是：仓库中A物品可以比B物品多，但不能超过N个；Ｂ物品可以比A 物品多，但不能超过M个。
semaphore a=n;semaphore b=m;void main(){createprocess(A,…);createprocess(B,…);}A物品入库：void A(){ while(1){ P(a);A物品入库; V(b);}} B物品入库：void B(){ while(1){ P(b);B物品入库; V(a);}}15. 试用信号灯与PV操作实现司机与售票员之间的同步问题。
设公共汽车上有一个司机和一个售票员，其活动如下图所示。
为了安全起见，显然要求: (1)关车门后方能启动车辆；(2)到站停车后方能开车门。
亦即“启动车辆”这一活动应当在“关车门”这一活动之后，“开车门”这一活动应当在“到站停车”这一活动之后。
解：如果进程P2尚未推进到②处时，进程P1已经推进到①处，则P1应等待直到P2推进到②处为止；同样，如果进程P1尚未推进到③处时，进程P2已经推进到④处，则P2应等待直到P1推进到③处为止。
如果进程P1在①处发生了等待，则当进程P2执行到②处时应将P1唤醒；同样，如果进程P2在④处发生了等待，则当进程P2执行到③处时应将P1唤醒。
用信号量和P、V操作解决这一问题，需要定义两个信号量，一个信号量start表示是否允许司机启动车辆，另一个信号量open表示是否允许售票员开车门。
初始状态是车停在始发站，车门开着，等待乘客上车。
因此，两个信号量的初值都是0。
semaphore start=0;semaphore open=0;司机的活动: P1: do{P(start); 启动车辆; 正常行车; 到站停车;V(open); 售票员的活动: P2: do{关车门;V(start);售票;P(open);开车门;}while (1); }while (1);16. 设有A、B、C三组进程，它们互斥地使用某一独占型资源R，使用前申请，使用后释放。
资源分配原则如下:(1) 当只有一组申请进程时，该组申请进程依次获得R；(2) 当有两组申请进程时，各组申请进程交替获得R，组内申请进程依次获得R；(3) 当有三组申请进程时，各组申请进程轮流获得R，组内申请进程依次获得R。
试用信号灯和PV操作分别给出各组进程的申请活动程序段和释放活动程序段。
解：int free=1;//设备状态标志semaphore mutex=1;semaphore qa=qb=qc=0; //各组等待队列int counta=countb=countc=0;//等待队列长度A组申请：P(mutex);if(free==1){ free=0;V(mutex);}else{counta++;V(mutex);P(qa); A组释放：P(mutex);if(countb>0){ countb--;V(qb);}else{if(countc>0){ countc--;V(qc);}else{} if(counta>0){counta--V(qa);}else{free=1;}}}}A组进程活动可以给出B组和C组进程活动。
17. 设自行车生产线上有一只箱子，其中有N个位置(N≥3)，每个位置可存放一个车架或一个车轮; 又设有三个工人，其活动分别为:工人1活动：do {加工一个车架; 车架放入箱中; }while(1) 工人2活动：do {加工一个车轮;车轮放入箱中;}while(1)工人3活动：do {箱中取一车架;箱中取二车轮;组装为一台车;}while(1)试分别用信号灯与PV操作、管程、会合实现三个工人的合作，要求解中不含死锁。
解：用信号灯与PV操作实现三个工人的合作，管程与会合解法可仿照给出。
首先不考虑死锁问题，工人1与工人3、工人2与工人3构成生产者与消费者关系，这两对生产/消费关系通过共同的缓冲区相联系。
从资源的角度来看，箱子中的空位置相当于工人1和工人2的资源，而车架和车轮相当于工人3的资源。
定义三个信号灯如下：semaphore empty=N;//空位置semaphore wheel=0;//车轮semaphore frame=0;//车架三位工人的活动分别为：工人1活动：do {加工一个车架; P(empty);车架放入箱中; V(frame);}while(1) 工人2活动：do {加工一个车轮;P(empty);车轮放入箱中;V(wheel);}while(1)工人3活动：do {P(frame);箱中取一车架;V(empty);P(wheel);P(wheel);箱中取二车轮;V(empty);V(empty);组装为一台车;}while(1)分析上述解法易见，当工人1推进速度较快时，箱中空位置可能完全被车架占满或只留有一个存放车轮的位置，而当此时工人3同时取2个车轮时将无法得到，而工人2又无法将新加工的车轮放入箱中；当工人2推进速度较快时，箱中空位置可能完全被车轮占满，而当此时工人3取车架时将无法得到，而工人1又无法将新加工的车架放入箱中。