有界缓冲区

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竞争条件 竞争条件：若干进程并发地访问并且操纵共享数据 竞争条件： 的情况。 的情况。 共享数据的值取决于哪个进程最后完成 防止竞争条件， 防止竞争条件，并发进程必须被同步
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7.2 临界区问题 所有n 个进程竞争使用一些共享的数据。 所有 个进程竞争使用一些共享的数据。 每个进程有一个代码段, 称为临界区, 每个进程有一个代码段 称为临界区 在那儿共享数 据被访问。 据被访问。 问题- 保证当一个进程正在临界区执行时， 问题 保证当一个进程正在临界区执行时，没有另 外的进程进入临界区执行
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临界区(critical section)：进程中访问临界资源 临界区 ： 的一段代码。 的一段代码。 进入区(entry section)：在进入临界区之前， 进入区 ：在进入临界区之前， 检查可否进入临界区的一段代码。 检查可否进入临界区的一段代码。如果可以进 入临界区，通常设置相应"正在访问临界区 正在访问临界区" 入临界区，通常设置相应 正在访问临界区 标志 退出区(exit section)：用于将 正在访问临界区 退出区 ：用于将"正在访问临界区 "标志清除。 标志清除。 标志清除 剩余区(remainder section)：代码中的其余部 剩余区 ： 分。
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7.2.4 软件方法解决临界区问题 7.2.4.1两进程解法
算法1: 算法
两个进程 P0和 P1 共享变量: 共享变量 – int turn; initially turn = 0 – turn = i Pi能进入其临界区 进程Pi的结构 进程 do { while (turn != i) ; 临界区 turn = j; 剩余区 } while (1); 满足互斥， 满足互斥，但未满足空闲让进 缺点：强制轮流进入临界区 没有考虑进程的实际需要。容易造成资源利用 进入临界区， 缺点：强制轮流进入临界区，没有考虑进程的实际需要。容易造成资源利用 不充分： 出让临界区之后， 使用临界区之前 使用临界区之前， 不可能再次使用临界 不充分：在Pi出让临界区之后，Pj使用临界区之前，Pi不可能再次使用临界 出让临界区之后 区；
7.1 背景
CPU的执行过程： CPU的执行过程： 执行过程rel() 执行过程rel()
top top top
完成top 完成top ←top+1
a b e f
a b e f 堆栈的存和取数过程
a b e f
进程切换， 执行get 执行get () 最后，get过程 最后，get过程 取数据失败
1
5
有界缓冲区 语句 counter++; counter--; 必须原子执行 原子执行必须是连续的， 原子执行必须是连续的，在执行过程中不允许 被中断
6

有界缓冲区 可按如下方式以机器语言实现: 语句 “count++” 可按如下方式以机器语言实现 register1 = counter register1 = register1 + 1 counter = register1 可按如下方式以机器语言实现: 语句 “count--” 可按如下方式以机器语言实现 register2 = counter register2 = register2 – 1 counter = register2
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算法3 结合算法1和算法 ， 结合算法 和算法2，是正确的算法 和算法 turn=j;描述可进入的进程（同时修改标志时） 描述可进入的进程（ 描述可进入的进程 同时修改标志时） 在进入区先修改后检查，并检查并发修改的先 在进入区先修改后检查， 后： – 检查对方 检查对方flag，如果不在临界区则自己进入－ ，如果不在临界区则自己进入－ －空闲则入 – 否则再检查 否则再检查turn：保存的是较晚的一次赋值， ：保存的是较晚的一次赋值， 则较晚的进程等待，较早的进程进入－－ －－先 则较晚的进程等待，较早的进程进入－－先 到先入， 到先入，后到等待
算法3 综合算法1和 的共享变量 综合算法 和2的共享变量 Process Pi do { flag [i] = true; turn = j; while (flag [j] and turn == j) ; critical section flag [i] = false; remainder section } while (1); 满足了三个要求， 满足了三个要求，解决了两进程临界区问题
2
有界缓冲区 Shared data #define BUFFER_SIZE 10 typedef struct { ... } item; item buffer[BUFFER_SIZE]; int in = 0; int out = 0; int counter = 0;
3
有界缓冲区
生产者进程 item nextProduced; while (1) { while (counter == BUFFER_SIZE) ; /* do nothing */ buffer[in] = nextProduced; in = (in + 1) % BUFFER_SIZE; counter++; } 4
7
有界缓冲区 如果生产者和消费者并发地更新缓冲区,汇编 如果生产者和消费者并发地更新缓冲区 汇编 语言语句可以得到的交替存取 交替取决于生产者和消费者进程如何调度
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有界缓冲区 一种交叉的方式如下: 一种交叉的方式如下 producer: register1 = counter (register1 = 5) producer: register1 = register1 + 1 (register1 = 6) consumer: register2 = counter (register2 = 5) consumer: register2 = register2 – 1 (register2 = 4) producer: counter = register1 (counter = 6) consumer: counter = register2 (counter = 4) Counter的值可能是 或者6，而正确的值应当是5 的值可能是4或者 ，而正确的值应当是 的值可能是 或者
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7.2.2 临界区 多个进程共享临界资源时必须互斥使用 临界区： 临界区：访问临界资源的那段代码 General structure of process Pi (other process Pj) do { entry section 进入区 critical section 临界区 exit section 退出区 reminder section 剩余区 } while (1);
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7.2.3同步机制应遵循的准则
空闲让进。 空闲让进。 当无进程进入临界区时，相应的临界资源处于空闲状态， 当无进程进入临界区时，相应的临界资源处于空闲状态， 因而允许一个请 求进入临界区的进程立即进入自己的临 界区。 界区。 忙则等待(互斥）。 忙则等待(互斥）。 当已有进程进入自己的临界区时， 当已有进程进入自己的临界区时，即相应的临界资源 正被访问，因而其它试图进入临界区的进程必须等待， 正被访问，因而其它试图进入临界区的进程必须等待，以 保证进程互斥地访问临界资源。 保证进程互斥地访问临界资源。 有限等待。 有限等待。 对要求访问临界资源的进程， 对要求访问临界资源的进程，应保证进程能在有限时 间进入临界区，以免陷入“饥饿”状态。 间进入临界区，以免陷入“饥饿”状态。 让权等待。 让权等待 当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机， 以免进程陷入忙等。 15
有界缓冲区 消费者进程 item nextConsumed; while (1) { while (counter == 0) ; /* do nothing */ nextConsumed = buffer[out]; out = (out + 1) % BUFFER_SIZE; counter--; }
解决临界区问题需满足
1.
2.
3.
互斥：假定进程Pi在其临界区内执行，其他任何 互斥：假定进程 在其临界区内执行， 在其临界区内执行 进程将被排斥在自己的临界区之外 空闲让进：临界区虽没有进程执行， 空闲让进：临界区虽没有进程执行，但有些进程 需要进入临界区， 需要进入临界区，不能无限期地延长下一个要进 入临界区进程的等待时间. 入临界区进程的等待时间 有限等待。 有限等待。在一个进程提出进入临界区的请求和 该请求得到答复的时间内， 该请求得到答复的时间内，其他进程进入临界区 前的等待时间必须是有限的. 前的等待时间必须是有限的 假定每个进程都以非零的的速率执行。 假定每个进程都以非零的的速率执行。 没有任何关于这n个进程相对执行速率的假定 没有任何关于这 个进程相对执行速率的假定
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交换顺序后的算法2
共享变量 – boolean flag[2]; initially flag [0] = flag [1] = false. – flag [i] = true Pi 准备进入临界区 Process Pi do { while (flag[j]) ; flag[i] = true; critical section flag [i] = false; remainder section } while (1); Pi和Pj可能同时进入临界区。当 Pi执行了 可能同时进入临界区。 执行了while (flag[j])后， 和 可能同时进入临界区 执行了 后 Pj执行 执行while (flag[i]) ，这样两个进程同时进入了临界区 执行 19
背景
要保持数据的一致性， 要保持数据的一致性，就需要一种保证并发进程的 正确执行顺序的机制 章中解决有限缓冲区问题的共享内存方法… 第4章中解决有限缓冲区问题的共享内存方法 章中解决有限缓冲区问题的共享内存方法 假定我们通过增加一个计数器变量修改生产者-消 假定我们通过增加一个计数器变量修改生产者 消 费者代码， 费者代码，初始值为 0，在缓冲区增加一个项目 ， 数据）计数器加1 （数据）计数器加