操作系统第三章

在整型信号量机制中的wait操作，只要是信号量S≤0， 就会不断地测试。因此，该机制并未遵循“让权等待” 的准则， 而是使进程处于“忙等”的状态。 记录型信号量机制，则是一种不存在“忙等”现 象的进程同步机制。但在采取了“让权等待”的策略 后，又会出现多个进程等待访问同一临界资源的情况。 为此，在信号量机制中，除了需要一个用于代表资源 数目的整型变量value外，还应增加一个进程链表L， 用于链接上述的所有等待进程。






procedure wait(S) var S: semaphore; begin S.value∶ =S.value-1; if S.value＜0 then block(S,L) end procedure signal(S) var S: semaphore; begin S.value∶ =S.value+1; if S.value≤0 then wakeup(S,L); end
2.互斥



互斥是一组并发程序中的一个或多个程序段， 因共享某一共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。 互斥也就是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。 互斥的进程间逻辑上是完全独立的，对共享资 源没有时间顺序的特征。
并发进程互斥执行满足的准则：
不能假设各并发进程的相对执行速度。 并发进程中的某个进程不在临界区，它不阻止其他进 程进入临界区。 并发进程中的若干进程申请进入临界区时，只能允许 一个进程进入。 并发进程中的进程从申请进入临界区时开始应在有限 的时间内进入临界区。 准则1、2、3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，且保证每时刻只有一个进程 进入临界区。4保证不发生死锁。



一般“信号量集”的几种特殊情况： (1) Swait(S, d, d)。 此时在信号量集中只有一个 信号量S， 但允许它每次申请d个资源，当现有资源 数少于d时，不予分配。 (2) Swait(S, 1, 1)。 此时的信号量集已蜕化为一 般的记录型信号量(S＞1时)或互斥信号量(S=1时)。 (3) Swait(S, 1, 0)。这是一种很特殊且很有用的 信号量操作。当S≥1时，允许多个进程进入某特定区； 当S变为0后，将阻止任何进程进入特定区。换言之， 它相当于一个可控开关。
记录型信号量是由于它采用了记录型的数据结构而得名 的。它所包含的上述两个数据项可描述为： type semaphore=record value:integer; L:list of process; end 相应地，wait(S)和signal(S)操作可描述为：


S.value的初值表示系统中某类资源的数目， 因而又 称为资源信号量. 每次wait操作，意味着进程请求一个单位的该类资源， 因此描述为S.value∶ =S.value-1； 当S.value＜0时，表示该类资源已分配完毕，因此进 程应调用block原语，进行自我阻塞，放弃处理机， 并插入到信号量链表S.L中。 可见，该机制遵循了“让权等待”准则。 此时 S.value的绝对值表示在该信号量链表中已阻塞进程 的数目。
3.2.1 加锁机制实现互斥 利用硬件方法解决进程中的互斥。 禁止中断 专用机器指令 原语 原语是机器指令的延伸，往往是为完成某些特定功能 而编制的一段系统程序。原语操作也叫做原子操作。 利用软件方法解决进程中的互斥。
置锁变量
为解决互斥问题，为每一个临界区设置一把锁，某进 程进入临界区，它就锁上临界区，直到退出。 进程执行临界区的程序的操作要按照以下步骤： 1.关锁。先检查锁的状态，若为关闭状态，则等待其 打开;已经打开，则将其关闭，继续执行。 2.执行临界区资源 3.开锁。将锁打开，退出临界区。

3.3.3 信号量与P，V原语
A:lock（key[s]） 临界区 unlock （ key[s] ） gotoA B:lock（key[s]） 临界区 unlock （ key[s] ） gotoB
一。信号量

整型信号量 最初将信号量定义为一个共享的整型量，它保存可供使 用的唤醒数目。如果信号量值大于等于0，表示可供 并发进程使用的资源实体数目。当其小于0的时候， 绝对值表示等待进入临界区的进程数。 对信号量的操作有以下限制： 1.信号量可以初始化为一个非负值。 2.只能由P和V两个操作来访问信号量。

PA进入临界区时，要执行p（sem），使得 sem=sem-1=0，满足了使用临界资源的条件， 进程PA继续执行后面的程序，访问结束后退 出临界区并做v（sem）操作，sem=sem+1. 进程PB被调度时也一样。 若在PA执行V操作之前，PB申请进入临界 区,PB也要执行p（sem）操作，将使 sem=sem-1=-1，不能满足访问条件，进程PB 被阻塞进入等待队列。

多个进程对信号量S进行了5次P操作，2次V操 作后，现在的信号量是-3，与信号量S有关的 处于阻塞状态的进程有多少个？信号量的初值 是多少？ 信号量为-3表示有3个进程在等待。 执行一次P操作S减一，执行一次V操作S加一。 S-5+2=-3 S=0

用信号量实现互斥实例：

Pa负责为用户分配打印机，Pb负责释放打印 机，用信号量实现它们共用一张分配表的互斥。 设一个互斥信号量mutex，其初值为1. Pa： P(mutex) 分配打印机 （读、写分配表） V（mutex） …….. Pb： P(mutex) 释放打印机 （读、写分配表） V（mutex） ……..

V原语
V原语操作 设sem为一信号量。 1.sem=sem+1 2.如果sem>0，则该进程继续执行。Sem<=0，则唤醒 一个等待进程，该进程继续执行。

做一次v操作就意味着释放一次物理资源。如果信号量小 于等于0，表示有进程等待，则唤醒一个等待进程。
用p、v原语实现互斥
用信号量实现两并发进程PA和PB的互斥： Sem为互斥信号量。取值范围（1，0，-1） Sem=1的时候表示两进程都没有进入临界区，sem=0时， 表示PB进程已经进入类为s的临界区，sem=-1时，表 示两个中的一个进入临界区，一个在等待。 进程PA p（sem） 临界区 v（sem） 进程PB
P原语
P操作表示测试，v表示增加或者成为wait操作。 P原语操作 设sem为一信号量。 1.sem=sem-1 2.如果sem>=0，则该进程继续执行。Sem<0，则阻塞 该进程，插入等待队列。 做一次P操作就意味着请求一次物理资源。如果信号量 大于0，请求得到满足，否则无资源，请求不能满足。

进程A和进程B互斥使用临界区的过程
临界区进入准则：



如果若干进程要求进入空闲的空闲的临界区， 一次仅允许一个进程进入。 处于临界区的进程不可多于一个。 进入临界区的进程要在有限的时间内退出，以 便其他进程及时进入自己的临界区。 如果进程不能进入自己的临界区，则让出CPU.
3.2 互斥的实现方法
设信号量Bufful表示Buffer满，为B的私有信号量，初值为0.
Pcal： Calculating（data）｛ Wait（Bufempty）； Buf=data； Singnal（Bufful）； ｝



对信号量的每次signal操作，表示执行进程释放一个 单位资源，故S.value∶ =S.value+1操作表示资源数 目加1。 若加1后仍是S.value≤0，则表示在该信号量链表中， 仍有等待该资源的进程被阻塞，故还应调用wakeup 原语，将S.L链表中的第一个等待进程唤醒。 如果S.value的初值为1，表示只允许一个进程访问临 界资源，此时的信号量转化为互斥信号量。
进程的同步与通信
本章主要内容：



同步与互斥的概念 进程间的相互关系 互斥的PV操作实现 同步的概念 同步的实现 进程通信的定义
3.1 进程同步与互斥的基本概念
3.1.1 同步与互斥的概念
进程间的相互关系主要分为三种形式： 互斥 同步 通信
1.同步


进程间的同步：异步环境下的一组并发进程因 直接制约而互相发送消息进而进行互相合作、 互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过 程。 同步是进程间共同完成一项任务时直接发生相 互作用的关系。




整型信号量仅能通过两个标准的原子操作 wait(S)和signal(S)来访问。这两个操作一直被 分别称为P、V操作。 wait和signal操作可描述 为： wait(S): while S≤0 do no-op S∶=S-1; signal(S): S ∶=S+1;
2. 记录型信号量
3. AND型信号量


AND同步机制的基本思想是：将进程在整个运行过程 中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进 程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配 给进程，其它所有可能为之分配的资源，也不分配给 他。亦即，对若干个临界资源的分配，采取原子操作 方式：要么全部分配到进程，要么一个也不分配。 由死锁理论可知，这样就可避免上述死锁情况的发生。 为此，在wait操作中，增加了一个“AND”条件，故称 为AND同步，或称为同时wait操作。

3.1.2 临界资源与临界区



临界资源：一次只允许一个进程使用的资源。 例如：打印机、读卡机、表格等资源。 临界区：在每个进程中访问临界资源的那段程 序。简称CS. 类：把那些不允许交叉执行的临界区按不同的 公用数据划分为不同的集合。
PA和PB共享内存MS，MS分为三个区系统区、进程 工作区和数据区。系统区主要是堆栈。 Getspace为取空数据块过程，release（ad）为释放 数据块过程，ad为待释放数据块的地址。 Getspace： begin local g G=stack[top] top=top-1 release（ad）: begin top=top+1 stack[top]=ad end

临界区的类名为S，设锁定位key【s】。
加锁后的临界区程序描述： lock（key[s]） 临界区 unlock （ key[s] ） key[s]=1的时候表示类名为S的临界区可用， key[s]=0的时候不可用。 unlock （ key[s] ）只有用一条语句可以实现 key[s]=1 由于lock（key[s]）必须满足key[s]=0时，不允许任何进程进入临 界区。等于1时只允许一个进程进入，实现比较困难。

分析：如果Pb先执行，那么它执行P（mutex） 后， mutex=0，Pb进入临界区，若某种原因 选中Pa投入运行，执行P（mutex）后， mutex=-1，所以进入等待队列，直到Pb退出 临界区。反过来也是一样。
用p、v操作实现同步


私用信号量：只与制约进程以及被制约进程有 关而不是与整组并发进程有关的信号量（把各 进程之间发送的消息作为信号量看待）。 公用信号量：称互斥时使用的信号量为公用信 号量。

设时刻to时，top=h0，则可能按照顺序执行： 首先release（ad）的第一句执行： T0：top=top+1 top=h0+1 接着执行getspace执行： T1：G=stack[top] G=stack[h0+1] T2:top=top-1 top=h0 再是release（ad）的第一句执行： T3：stack【top】=ad stack【h0】=ad Getspace的进程取到的是ho+1中一个未定义的值，而 release（ad）的进程把空块地址重复放入了h0中。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Pcal和Pprt联合完成计算打印任务， Pcal 计算一个数据放入缓冲区Buffer中， Pprt 从缓冲区中取数并打印。
Buffer
A:pcal
B:pprt
合作关系：A未完成，Buffer空，B等待，B未完成，Buffe 满，A等待。
设信号量BufEmpty表示Buffer空，为A的私有信号量，初 值为1；