计算机操作系统(第三章)_3.5(进程的互斥与同步)

• 假如初始时“count = 5” ，可能会出现下面的交替执行情况: S0: 生产者执行 register1 = count {register1 = 5} S1: 生产者执行 register1 = register1 + 1 {register1 = 6} S2: 消费者执行 register2 = count {register2 = 5} S3: 消费者执行 register2 = register2 - 1 {register2 = 4} S4: 生产者执行 count = register1 {count = 6 } S5: 消费者执行 count = register2 {count = 4}
第三章 进程管理
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1.临界区： 每个进程中访问临界资源 的那段程序段称为临界区（临 界段）。 进入区(entry section)：在进入临 界区之前，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"标志 退出区(exit section)：用于将"正 在访问临界区"标志清除。 剩余区(remainder section)：代 码中的其余部分。
pc ( )
: p(mutex); CSc; v(mutex); : }
信号灯mutex的取值范围：-2、-1、0、1
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第三章 进程管理
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思考：信号量的值有什么含义？ 信号量的值可以大于1吗？
P/V原语的使用方法
进程在进入临界区之前，执行P操作（申请资源） 进程在退出临界区之后，执行V操作（归还资源）
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互斥的例子：
例1：进程A、B共享一台打印机，则当一进程占用打印机后，另 一进程若也要使用打印机，则必须等待，直至它释放打印机。 例2：机票预订系统 A 旅行社A查到某机座空； ： 与其顾客商量； ： 旅行社A预订该机座； ： B
： 旅行社B查到某机座空；
： B预订该机座；
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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 异步环境主要指各并发进程的执行起始时间的随机性和执行 速度的独立性 直接制约的进程互相给对方进程发送执行条件已经具备的信 号，只要收到了制约进程发来的信号便开始执行，而在未 收到制约进程发来的信号时便进入等待状态 进程间的同步：把异步环境下的一组并发进程，因直接制 约而互相发送消息而进行互相合作、互相等待，使得各进 程按一定的速度执行的过程。 合作进程：具有同步关系的一组并发进程称为合作进程， 合作进程间互相发送的信号称为消息或事件
的管理办法，以制约并发进程。这就是互斥
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第பைடு நூலகம்5页
３．互斥
定义: 一组并发进程中的一个或多个程序段，因共享某 一公有资源而导致它们必须以一个不允许交叉执行 的单位执行。也就是说，不允许两个以上的共享该 资源的并发进程同时进入临界区称为互斥。 一般情况下，作为程序段的一个过程不允许多 个进程共同访问它。
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操作系统利用信号灯的状态对并发进程和共享资源进行 控制和管理。 s代表资源的实体，是整型变量。 s > 0 时，表示绿灯，进程执行。(表示系统拥有的 资源个数) s ≤ 0 时，表示红灯，进程停止执行。( |s|表示等待 某资源的进程个数) 注意：创建信号灯时，应准确说明信号灯 s 的意义和 初值 (这个初值绝不能为负值)。
进入临界区csb
开锁原语
开锁原语
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main ( ) { {
ppa ( ) {
ppb ( )
int w=0;
cobegin ppa(); ppb(); coend
:
lock(w); CSa; unlock(w); :
:
lock(w); CSb; unlock(w); :
消费者进程
while (true) { while (count == 0) ; // do nothing nextConsumed = buffer[out]; out = (out + 1) % BUFFER_SIZE; count --; /* consume the item in nextConsumed */ }
生产者进程 while (true) { /* produce an item and put in nextProduced */ while (count == BUFFER_SIZE) ; // do nothing buffer [in] = nextProduced; in = (in + 1) % BUFFER_SIZE; count ++; }
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• 进入临界区的准则： • (1)每次至多有一个进程处于临界区； • (2)当有若干个进程欲进入临界区时，应在有限 的时间内使其进入； • (3)进程在临界区内仅逗留有限的时间。
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3.5.2 互斥的加锁实现
人们可能认为只需把临界区中的各个过程按不同的时间排列 调用就行了，但由于用户程序执行开始的随机性，要求该组并发 进程中的每个进程事先知道其他并发进程与系统的动作。不可能 把临界区中的各个过程按不同的时间排列调用。因此，互斥的实 现必须通过加锁的方式进行解决。
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进程的并发执行不仅仅是用户程序的执行开始时间的随机 性和提高资源利用率的结果，也是资源有限性导致资源的竞 争与共享对进程的执行过程进行制约所造成的
一. 互斥的概念 引例： 宿舍电话的使用 打印机的使用 1. 临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源 引例中的电话和打印机都属于临界资源。除此之外，还有内 存变量、指针、数组等等也是临界资源。
time
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例2 对于生产者消费者问题。我们需要用一个变量 (count)来记录当前缓冲区中的数据个数。开始时，count 的值设为零，如果生产者生产了一个产品放到一个新的缓 冲中，则将count的值加1，如果消费者消费了某个缓冲区 中的产品，则将count的值减1。
生产者消费者1.exe
在系统中为每个临界资源设置一个锁位， 0 表示资源可用， 1 表示资源已被占用（不可用）。 同时,系统要提供上锁原语和开锁原语，供进程在 使用临界资源之前和使用完临界资源之后使用。
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2.用上锁原语和开锁原语实现进程互斥
进程A 进程B
上锁原语
上锁原语
进入临界区csa
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Ｖ操作： (1) sem加1； (2) 若结果大于零，进程继续执行； (3) 若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤 醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。
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信号量
图3.11 Ｐ原语操作功能
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图 3.12Ｖ原语操作功能
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第三章 进程管理
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main ( ) { int mutex=1; cobegin pa( ); pb( ); pc( ); coend } {
pa ( ) { : p(mutex); CSa; v(mutex); : } }
pb ( ) { : p(mutex); CSb; v(mutex); :
}
}
}
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3.5.3信号量和P，V原语
1.信号量（Semaphore)（信号灯） 信号量：除赋初值外仅能由同步原语（P、V操作）对其操作的整 型变量，其值与其所代表的资源使用情况有关。 信号量的物理意义： 当其值≥0代表可用资源的数量 当其值<0,其绝对值代表因请求该信号量所代表的资源而被阻塞 的进程数量。建立一个信号量时，必须说明所建信号量所代表 的意义和赋初值 信号量代表的是某一个资源，其初值代表的资源的可用数
time
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如果两个进程的执行顺序为：
P1: R1=x; R1=R1+1; x=R1; P2: R2=x; R2=R2+1; x=R2
time
第三章 进程管理
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如果两个进程的执行顺序为：
P1: R1=x; P2: R2=x; R2=R2+1; x=R2 R1=R1+1; x=R1;
计算机操作系统
第三章 进程管理_2
3.5
进程互斥
3.5.1 资源共享引起的制约
多进程对共享变量的并发访问 可能会导致数据的不一致！
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• 例1
假设有两个并发执行的进程P1和P2。
cobegin p1; p2; coend
P1: …. x = x + 1; …
P2: …. x = x + 1; …
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并发进程互斥必须满足的原则
(1) 不能假设各并发进程的相对执行速度。即各并发进程
享有平等的、独立的竞争共有资源的权利，且在不采取任 何措施的条件下，在临界区内任一指令结束时，其他并发 进程可以进入临界区。 (2) 并发进程中的某个进程不在临界区时，它不阻止其他 进程进入临界区。(空闲让进） (3) 并发进程中的若干个进程申请进入临界区时，只能允 许一个进程进入 (4) 并发进程中的某个进程申请进入临界区时开始，应在 有限时间内得以进入临界区 准则(1)，(2)，(3)是保证各并发进程享有平等的、独立的竞争 和使用公有资源的权利，且保证每一时刻至多只有一个进程在 临界区。而准则(4)则是并发进程不发生死锁（将在后面讲述） 的重要保证。
竞争条件
• count++ 指令的执行可能被实现为
register1 = count register1 = register1 + 1 count = register1 • count– 指令的执行可能被实现为
register2 = count register2 = register2 - 1 count = register2
1、互斥的实现
当某个进程进入临界区之后，它将锁上临界区，直到它 退出临界区时为止。并发进程在申请进入临界区时，首先测试该 临界区是否是上锁的。如果该临界区已被锁住，则该进程要等到 该临界区开锁之后才有可能获得临界区。
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二. 用锁实现互斥
1.锁和上锁、开锁操作
解决进程互斥的最简单的办法是加锁。
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2. 间接制约
• 间接制约：把由于共享某一公有资源而引起的在临界区
内不允许并发进程交叉执行的现象，称为由共享公有资
源而造成的对并发进程执行速度的间接制约
• 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 • 对于每一类，系统应有相应的分配和释放相应公有资源
第三章 进程管理
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3.6 进程同步
3.6.1. 同步的概念
互斥的概念来自于诸进程对独占使用资源（设备）的 竞争，同步来源于多个进程的合作。在人类社会中竞争与 合作是永恒的。 同步：所谓同步就是并发进程在一些关键点上可能需 要相互等待与互通消息，这样的相互制约关系称为进程同 步。
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第三章 进程管理
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2.
P、V操作
P操作和V操作都是用原语的方式来实现的。
Ｐ，Ｖ操作都必须以原语实现，且在Ｐ，Ｖ原语执行期间 不允许中断发生。
Ｐ操作： (1) sem减 1； (2) 若sem大于或等于零，则进程继续执行； (3) 若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后与该信号相对 应的队列中，然后转进程调度。
第三章 进程管理
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X = X + 1 操作将被分解为几条机器指令来实现，如：
1
将变量x的值放入寄存器
register = x
2
3
把寄存器中的值加1
把寄存器的值存到x中
register = register + 1
x = register
第三章 进程管理
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如果两个进程的执行顺序为：
P1: R1=x; R1=R1+1; x=R1; P2: R2=x; R2=R2+1; x=R2
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第三章 进程管理
3.用信号灯的 P、V操作实现进程互斥
利用Ｐ，Ｖ原语和信号量，可以方便地解决并发进程的 互斥问题，而且不会产生使用加锁法解决互斥问题时所出现 的问题。 设：mutex为互斥信号灯，初值为1。
进程 pa 进程 pb
p(mutex) 进入临界区csa v(mutex)
p(mutex) 进入临界区csb v(mutex)