第三章 进程的同步与互斥

互斥问题举例
对于例2，可以采用下列方法解决“与时间有关的错误”： 针对临界资源机票库设置一个信号量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； V（mutex）； 如果终端A先来，对mutex进行P操作后，进入临界区，此时 mutex为0。当它还没有处理完毕时，其它任何终端到来都因 其执行P(mutex)后被阻塞，直到终端A执行了V(mutex)后 将它们唤醒后才能进入其临界区对x进行操作，从而保证了只有 一个进程进入临界区，避免了“与时间有关的错误” 的发生。
哲学家就餐问题
• 容易导致死锁 如果所有的哲 学家在同一时刻都 感到饥饿，他们都 坐下，都拿起左边 的叉子，都伸手拿 右边的叉子，但都 没拿到。则所有的 哲学家都会饿死
哲学家就餐问题
为防止死锁发生可采取的措施： • 最多允许4个哲学家同时坐在桌子周围 • 仅当一个哲学家左右两边的筷子都可用时，才允 许他拿筷子 • 给所有哲学家编号，奇数号的哲学家必须首先拿 左边的筷子，偶数号的哲学家则反之 • 为了避免死锁，把哲学家分为三种状态，思考， 饥饿，进食，并且一次拿到两只筷子，否则不拿
售票员 P2 while (true) { 关门； 售票； 开门； }
进程的互斥（间接作用）
进程的互斥:mutual exclusion 由于各进程要求共享资源，而有些资源需要互斥 使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的 这种关系为进程的互斥 临界资源：critical resource 系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称 这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量 临界区（互斥区）：critical section 在进程中涉及到临界资源的程序段叫临界区 多个进程的临界区称为相关临界区
进程的同步（直接作用）
进程的同步：synchronism 指系统中多个进程中发生的事件存在某种 时序关系，需要相互合作，共同完成一项 任务。具体说，一个进程运行到某一点时 要求另一伙伴进程为它提供消息，在未获 得消息之前，该进程处于等待状态，获得 消息后被唤醒进入就绪态
例
•
司机 P1 while (true) { 启动车辆； 正常运行； 到站停车； }
临界资源与临界区
为了讨论进程互斥问题，必须先定义两个基本概念： 临界 资源与临界区。 1．临界资源 临界资源指的是一次只允许一个进程使用的独占资源。诸进程 对它的访问必须互斥。 这样的临界资源通常包括共享的系统资源或用户资源，例 如：字符设备或其它只允许一个进程使用的设备，共享的 数据结构如表格、队列，共享变量或共享内存等等。 2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ临界区 临界区是指包含了访问临界资源的那段程序。我们将临界区作 为特殊的程序段进行如下处理： 诸进程在进入临界区之前必须先申请，当且仅当临界区中涉 及的临界资源没有其它进程使用时才能进入临界区；而在 出临界区后要立即释放临界资源，让其它共享同一临界资 源的进程能够进入其临界区
第三章 进程的同步与互斥
问题的提出
• 单处理机多道程序并发执行的系统中，多 个进程并发执行过程可能会有互相协作、 互相等待、共享某些系统资源等问题发生。 操作系统必须保证这些并发的进程能够在 有限时间内获得它们所需要的资源，并保 证共享环境下资源的完整性，同时对于互 相协作的进程还要保证其能够按照正常的 时序执行。
互斥问题与同步问题
1．互斥问题 判断诸进程之间是否存在互斥，可以根据是否同时满足以下两个 互斥必要条件来判断： ⑴．诸进程共享同一个临界资源； ⑵．共享的方式是先来者先使用的异步方式。 同时满足以上两个必要条件的多进程共享临界资源的问题就是互 斥问题。 这两点是判断互斥问题的重要依据，其中第⑵点尤其容易被忽视， 从而造成互斥与同步问题的混淆，从而导致解决问题的方法错 误。 由于临界资源是多进程共享的公共资源，所以称解决互斥问题 的信号量为公用信号量； 这些共享同一个临界资源的进程之间的关联属于间接关联； 诸进程对于临界资源以异步的方式共享。 因此，这类问题属于互斥问题，需要使用操作系统提供的互斥机 制来解决。
同步问题
协作进程之间一般有以下几种不同的同步问 题： 前驱与后继同步问题 单缓冲与多缓冲读写同步问题 生产者消费者同步问题
信号量及其P、V操作
信号量机制作为操作系统提供的一种进程通信方式，主要用 于实现进程之间的同步和互斥。 每个信号量是一个2元组，由信号量s和s的等待队列q组成： s是一个具有非负初值的整型变量； q是一个初始状态为空的等待队列。 信号量s是个特殊的整型变量，信号s的值描述了可用资源的 数量或等待该资源的进程个数：当s≥0时表示可用资源数； 当s＜0时其绝对值|s|表示等待该资源的进程数。对s值 的修改只能通过操作系统提供的系统调用进行，而不能使 用一般的赋值语句。 通过执行信号量的P操作或V操作来申请或释放信号量: P操作表示申请资源； V操作表示释放资源。 P、V操作过程涉及信号量值的修改，而信号量是共享变量， 因此P、V操作用原语实现，不允许中断。
用P、V操作实现进程同步
用P、V操作实现进程同步的算法可以简单归纳如下： ⑴．分析每个进程的执行条件和释放条件，针对每个执行条 件设置一个信号量，其初值根据初始情况确定； ⑵．对每个进程做如下处理： 在请求条件处执行P（执行条件信号量）； 在释放条件处执行V（释放条件信号量）。 同步问题与互斥问题的区别： 互斥问题中各进程涉及共同的临界资源，因此每个进程中 涉及同一个临界资源的临界区中所执行的P、V操作的信 号量是相同的； 而同步问题中每个进程由于执行条件和释放条件的不同因 而其P、V操作涉及的信号量也不同。 这是解决这两类问题算法的不同之处。
互斥问题
• 解决互斥问题，最简单 的方法是为每个临界资 源设置一个锁位，锁位 为0或1分别表示临界区 可用或已被占用，类似 于将家门上锁、开锁， 将临界区用上锁原语和 开锁原语括起来。如右 图所示：
上锁原语； 临界区； 开锁原语；
互斥问题
上锁原语算法lock
输入：锁变量w 输出：无 { /*检测锁位为0吗？不为0继续检测*/ while(w==1); w=1; //进入临界区前先上锁 }
进程进入临界区前，先执行上锁原语，判断锁 位是否为开启状态，是则置其为关闭状态 （随手关门），然后进入临界区。随后到 来的进程由于先到先进入的进程已将锁位 置为关闭状态而不能进入临界区，直到先 进入的进程出临界区时，执行开锁原语， 将锁位置为开启状态后，后续进程才能够 进入临界区。
开锁原语算法 unlock
理发店问题
• 存在时间安排问题，可能导致对顾客的不 公平待遇。 • 假设当前有三位顾客坐在三把理发椅上， 这时，顾客可能被阻塞在P(finished);并 且，由于队列的组织结构，他们将按照进 入理发椅的顺序被释放。但是，如果有一 位理发师速度比较快，或者一位顾客头发 比较短，这时怎么办？ • 解决方法呢？
理发店问题
• 我们给每位顾客指定一个唯一的顾客号，这等同 于让每个顾客在进入理发点时领取一个编号。信 号量mutex1保护对全局变量count的访问，使 得每位顾客都可以获得一个唯一的编号。信号量 finished被重新定义成一个包含50个信号量的 数组，当一个顾客坐到一个理发椅上时，他执行 P(finished[count])操作，等待自己唯一的信 号量；当理发师结束该顾客的理发后，理发师执 行V(finished[count])释放正确的顾客
理发店问题
• 场景：理发店有三个椅子、三位理发师，等待区 中有可容纳4位顾客的沙发，更多的顾客还可以 在站席区等候，理发店中的顾客总数被限制在20 以内。在这个例子中，我们假设理发店最终接待 了50位顾客。 • 要求：如果理发店顾客已满，新来的顾客就不能 再进入。顾客一旦进入理发店，可以坐在沙发上 等待，如果沙发已满就站着。当有一位理发师空 闲时，在沙发上坐的时间最久的顾客得到服务， 而且如果还有顾客站着，进入理发店站的时间最 久的顾客可以坐在沙发上。当一位顾客理发结束 后，任何理发师都可以接受付款，但由于只有一 台收银机，因此一次只能有一位顾客付款。理发 师从事理发、接受付款、在他们自己的椅子上睡 眠以等待顾客这三种工作。
经典问题
哲学家就餐问题 理发师问题
哲学家就餐问题
• 有五个哲学家围坐在一圆桌旁，桌中央 有一盘粉条，每人面前有一只空盘子， 每两人之间放一只叉子 • 每个哲学家的行为是思考，感到饥饿， 然后吃通心粉 • 为了吃通心粉，每个哲学家必须拿 到两只叉子，并且每个人只能直接从自 己的左边或右边去取叉子
输入：锁变量w 输出：无 { w=0; //开锁 }
同步问题
同步问题是指诸进程的执行有先后顺序的限制。
如果诸进程涉及对于临界资源的共享，若共享方式为同步 方式则为同步问题；若共享方式为异步方式则为互斥问题。 当然还有可能是同步与互斥的混合问题。 总之，只要多个进程在执行时间的先后上具有某种限制， 就不再是单纯的互斥问题，一定有同步问题需要解决。 由于产生同步操作的协作进程之间其执行顺序已知、或者 互相制约的条件已知，即协作进程间相互知道对方，所以 称解决同步问题的信号量为私有信号量，局限于需要同步 的协作进程之间使用。协作进程之间的关联属于直接关联。 互斥可以看成是同步的一种特殊情况，广义上的同步包含 了互斥在内，我们将两者统称为进程的同步问题。广义上 的同步可以定义为诸进程之间在执行时间上所加的某种约 束，如果这种约束是因为共享临界资源，而且约束的方式 是异步的则为互斥约束；否则就是同步约束。
进程间的联系
相交进程与无关进程 相交进程：指多个并发进程在逻辑上有 某种联系 无关进程（不相交进程）：在逻辑上无 任何联系的进程
进程间的联系
直接作用和间接作用 直接作用： 进程间的相互联系是有意识的安排的， 直接作用只发生在相交进程间 间接作用： 进程间要通过某种中介发生联系，是 无意识安排的，可发生在相交进程之间， 也可发生在无关进程之间