第4章并行性：互斥和同步介绍

例：二人合作存款 (上例：) cobegin PA: N: = count N: = N+100 count: = N; PB: M: = count M: = M+200 由 count: = M coend
PB: begin M: = count ; M: = M+200 ; count: = M ; end cound end
+ + 速度：设原count = 300$，A 100，B 200
时间：t0 A: N = count; N: = N+100 N = 400$ t1 B: M = count; M: = M+200; count = M, count = 500$ t2 A: count: = N count = 400$ 与执行速度有关 (我们不能保证它们每次执行时间相同， 进展速度一致)。
S
t3
t1 t2
t4 t5 F
(2) 并行语言： Diskstra 于1965年提出类Pascal的并行语句。 COBEGIN s1；s2；…；sn COEND
S s 1 … sn F
COBEGIN / COEND相当于一个括号，表示其中的所有 语句s1, s2,… sn是可并行执行的，COBEGIN / COEND 可以嵌套，而语句s1, s2,… sn可为任何简单语句、复合 语和并行语句。
操作系统原理
第4章 并行性：互斥和同步
主讲：房道伟 Daowei_fang@163.com
主要内容

顺序程序设计和并行程序设计 进程间的同步与互斥 信号量 (P，V操作) 同步机构应用 进程间的通讯
在多道环境下，系统具有了许多比单道环境 下更为复杂的情况。我们把多道环境下的程序设 计叫做并行程序设计，因为它主要是以各程序 (进程)间的并行运行为其特点。把传统的程序设 计方法叫做顺序程序设计。
因为并行执行 (共享资源)使得：(在不做处理条件下) (i) 失去封闭和现场的可再现性：
例：设夫妻两人的共同存款保存在count(共享资源)变量 中，为此，他们编写了一个增加款项的程序如下：
begin covnt, N, M: integer cobegin PA: begin N: = count; N: = N+100; count: = N; end
§4.1 顺序程序设计和并行程序设计
一、顺序程序设计
1. 顺序程序 (冯诺伊曼) 匈牙利数学家 Vonnevman 46年
(a) 计算 ––– 对某一有限数据的集合所施行的，目的 在于解决某一问题的一组有限操作的集 合。 程序是算法的形式化描述，一个程序的执行过程 即一个“ 计算”，即算法的实现。
二、并行程序设计
1. 为了提高系统的利用率和处理能力：
采用：(1) 硬件 ––– 并行操作 (2) 软件 ––– 程序段在执行时间上有重叠 (不一定全部重叠)。 并行性：是指在同一时间间隔内或同一时刻完成两 种或两种以上性质相同或不同的工作，只要 时间上互相重迭，都存在并行性。
多道程序的特点：首先是并行。 A B
S
S
P1 P1 P2 P3 P4 P5 P2
S P1 P2
S
P4 P5
P1
P2 P3 F a. 串行 F b. 并行
P3 P4 F
P3
P6
P7
F
d. 一般的
c. 串、并行
例：(a+b) (c+d) (e/f)
– + a bc + d e / f
t1 = a + b t2 = c + d t3 = e / f t4 = t1 t2 t5 = t4 – t3
§4.2 进程间的同步与互斥
一、概念 进程并行运行时相互制约 (进程发消息限制另一 进程运行)，而制约关系归结为互斥和同步：
Hale Waihona Puke Baidu
同步 ––– 指两个事件的发生有着某种时序上的关系 (先，后)。
互斥 ––– 资源的使用要排它使用，防止竞争冲突(不 同时使用，但无先后次序)。 (作为一种特殊 同步)
二、临界段问题 1. 只能排它使用的资源称为临界资源。 (各进程要共享资源)。 临界资源 打印机、磁带机。 (因时因地不同) 只能排它使用的变量、表格、队列。 非临界资源：磁盘 临界区(段) ––– 将访问临界资源的那段程序从概念上 cs 分离出来称为临界。(对临界区的访问 必须是互斥的)
多个程序在并行执行
多个设备在并行操作
I/O A I/O B
I1
I2
C1
I3
C2 O1 C3 O2 O3
t
并行的
若顺序执行3分钟 ( job1， job2， job3 ) 并行执行5/3分钟 ( job1， job2， job3 )
2. 程序并行性的表示 (1) 图示：在一个程序的诸操作间，往往只要求部分有序， 既有并行执行部分，又有串行执行部分。
(b) 顺序执行： 计算中的各个操作有一定顺序，否则无法正确 执行。
I1
C1 job1
O1
I2
C2 job2
O2
图4.1 顺序处理模式
(c) 顺序程序的特点：
(i) 顺序性： 处理机的操作严格按程序规定的顺序执行。即每 一操作都必须在下一操作开始之前结束。 (ii) 封闭性： 程序一旦开始执行，计算结果不受外界影响初始 条件给定，各资源状态仅能由程序改变。 • 资源独占 (iii) 可再现性： 只要给了相同的外界条件，结果亦相同。 • 与执行速度无关
例：
BEGIN COBEGIN t3; BEGIN COBEGIN t1; t2 COEND; t4 END COEND t5 END
3. 并行程序设计的特点： (1) 并行性：
顺序运行的模式被打破，各进程可并行地、异 步地在系统内运行，并以不同速度向前推进。
(2) 共享性： 在系统中存在的各进程不但共享硬资源：主存、 CPU、外设，而且共享软资源：程序副本和数据集。
(ii) 程序与计算不再一一对应： 程序 ––– 静态的，是指令的有序集合。
计算 ––– 执行过程，动态。
并行执行 ––– 程序可对应多个计算。 (例如一个编译程序可为2个作业服务， 每个作业调用一次，就执行一次，即这 个编译程序对应两个“ 计算”)。 顺序执行 ––– 程序与计算一一对应。
(iii) 程序并发执行时相互制约： 并行程序设计所带来的这些新问题，都最后 归结为能否正确处理好进程间的同步与互斥关系 问题。下面我们通过进程间的同步与互斥关系来 进一步剖析并行程序设计中的问题。