进程互斥、同步、通信、死锁
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荷兰著名科学家，后来的计算机图灵
奖获得者，E.W.Dijkstra于1965年提 出了用作进程同步工具的信号量 （semaphore）机制，这是一种卓有成 效的进程互斥同步工具，已被广泛应 用于现代计算机系统中
信号量和P、V操作
，将交通管制中 多种颜色的信号灯管理交通的方法引 入操作系统，让两个或多个进程通过 特殊变量展开交互。
信号量的整型分量的物理含义：
当S
.value ≥0时，表示某类可用资 源的数目，或者说表示可以执行P操作 而不会被阻塞的进程的数目 号量S的阻塞队列中的进程数，即系统 中因请求该类资源而被阻塞的进程的数 目，亦即被信号灯挡住的进程数目
当S .value ＜0时，其绝对值表示信
信号量的使用
必须置一次且只能置一次初值
一种最为简单和直观的解决方法 是： 进程间相互给对方发送执行条件 已经具备的信号
对一个消息赋予唯一的消息名，则可用
过程wait（消息名）表示进程等待合作 进程发来的消息；用signal （消息名） 表示合作进程发送消息 P60
3.6.2 私用信号量
可以把各进程之间发送的消息作为信
号量看待 该信号量只与相互制约的进程有关， 而不是与整组并发进程有关，因此称 为私用信号量Private Sem 称互斥时使用的信号量为公用信号量
2.临界区（Critical Section）
不允许多个并发进程交叉执行的一段程序 在每个进程中访问临界资源的那段代码 注意：临界区是对某一临界资源而言的， 对于不同临界资源的临界区，它们之间不 存在互斥 如有程序段A、B是关于变量X的临界区，而 C、D是关于变量Y的临界区，那么，A、B之 间需要互斥执行，C、D之间也要互斥执行， 而A与C、B与D之间不用互斥执行
P1 P2 P3 P(S)
P(S)
P(S) V(S) V(S) V(S)
临界区
P: P（sem） S V（sem）
P.V操作必须成对出现，有一个P操作
就一定有一个V操作,互斥操作中，同 处于同一进程
信号量机制实施的主要步骤是：
（1）分析清楚涉及的进程间的制约关
系
（2）设置信号量（包括信号量的个数
进程同步：指的是两个或多个进程为了合 作完成同一个任务，在执行速度或某些 个确定的时序点上必须相互协调，即一 个进程的执行依赖于另一个进程——其 合作伙伴的消息，当一个进程到达了某 一确定点而没有得到合作伙伴发来的 “已完成某些操作”的消息时必须等待， 直到该消息到达被唤醒后，才能继续向 前推进。
临界区的描述：临界区按不同的公用 数据划分为不同的集合。这些集合称 为类class When<类名>do<临界区>od
3.互斥是间接制约 进程间要通过某种中介发生联系， 是无意识安排的，例如受共享资源 制约 同步是直接制约 进程间的相互联系是有意识的安 排的
4.什么是互斥 定义：一组并发过程中的一个或多 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 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
缺点：存在一些影响系统可靠性和执行 效率的问题 循环测试定位消耗较多CPU计算时间 某些情况下出现不公平现象，某进程 永久饥饿状态（举例）。原因：每个 进程是否能进入临界区是依靠自己的 测试判断，这样没有获得执行机会的 进程就无法判断 解决方法：设置管理员也就是操作系 统中的信号量
3.5.3 信号量和P,V原语
P操作
P(sem) { sem.value = sem.value -1 ; if (sem.value < 0) { 保护当前进程CPU现场 该进程状态置为等待状态 将该进程的PCB插入相应的等待队列末尾 sem.queue 转进程调度 }else return }
V原语操作 1. sem.value加1 2. 若sem.value加1后大于零，则进 程继续执行 3. 若sem.value加1后小于或等于零， 则从该信号的等待队列中唤醒一 个等待进程，转进程调度
并发执行的多个进程可能产生互斥或
同步的相互制约关系，不采取措施， 可能导致结果的不可再现性。影响系 统效率，而且还可以导致系统崩溃。 为此，现代操作系统都在内核中设有 进程的互斥同步机制，以控制并发执 行的诸进程能有效的共享资源和相互 合作，同时使并发程序的执行仍具有 可再现性。
3.5 进程互斥
保证平等、独立的竞争和使用公有资
源的权力，且保证任一时刻至多只有 一个进程在临界区 有限等待：任何进入互斥区的要求应 在有限的时间内得到满足 保证并发进程不发生死锁
实现互斥的方法
软件：不同的算法实现
加锁
硬件：
在硬件中设置了测试与设置指令
Test-and-Set实现互斥
V操作
V(sem) { sem.value = sem.value +1; if (sem.value < = 0) { 唤醒相应等待队列sem.queue中等待的一 个进程 改变其状态为就绪态 并将其插入就绪队列 } else return
P，V操作用原语来实现，保证了 对临界资源信号量sem的互斥访 问，因为在P,V操作中都要改变 sem值
3.5.4 用P,V原语实现进程互斥
把临界区置于P(sem)和V(sem)之间
用P、V操作原语实现进程的互斥，只
需在相关进程的临界区的前后分别施 以P操作和V操作即可，即在相关进程 的程序里由P操作和V操作原语紧夹着 临界区，就能保证这些进程互斥地进 入各自的临界区
用P.V操作解决进程间互斥问题
3.5.1
资源共享所引起的制约 3.5.2 互斥的加锁实现 3.5.3 信号量和P,V原语 3.5.4 用 P,V原语实现进程互斥
3.5.1.资源共享所引起的制约
课本上的例子 一飞机订票系统，两个终端，运行T1、 T2进程 T1 : T2: ... ... Read(x); Read(x); if x>=1 then if x>=1 then x:=x-1; x:=x-1; write(x); write(x); ... ...
3.5.2 互斥的加锁实现
加锁是一种最简单的实现进程互斥的
方法，它使用一个锁变量W来表示某种 临界资源的状态 W=1表示资源空闲可用；W=0表示资源 正被使用
对临界区加锁以实现互斥
lock（w）= begin local v repeat v <- w until v=1 w <- 0 end 使用完以后unlock（w）将w赋值为1
3.6.3 用 P,V原语操作实现同步
为各并发进程设置私用信号量 为私用信号量赋初值
利用P,V原语和私用信号量规定各
进程的执行顺序
主要步骤是： （1）分析清楚涉及的进程间的制约关
系
（2）设置信号量（包括信号量的个数
和初值，信号量的物理含义）。
（3）给出进程相应程序的算法描述或
共享缓冲区的进程的同步
设某计算进程Ｃ和打印进程Ｐ共用一个缓 冲区Buf，Ｃ进程负责不断地计算数据并送 入缓冲区Buf中，Ｐ进程负责不断地从缓冲 区Buf中取出数据去打印。
分析
通过分析可知，Ｃ、Ｐ进程必须遵守以下同 步规则： 当Ｃ进程把计算结果送入缓冲区时，P进程 才能从缓冲区中取出结果去打印; 当P进程把缓冲区中的数据取出打印后，Ｃ 进程才能把下一个计算结果送入缓冲区 C的输出结果是P的执行条件，P的执行结果 也是C的执行条件 P59
和初值，信号量的物理含义）。
（3）给出进程相应程序的算法描述或
流程控制，并把P、V操作加到程序的适 当处。
3.6
3.6.1
进程同步
同步的概念 3.6.2 私用信号量 3.6.3 用 P,V原语操作实现同步 3.6.4 生产者－消费者问题
3.6.1同步的概念
相互合作的进程之间存在同步 属于直接制约
操作系统中，信号量表示物理资源的
实体，它是整型变量。 实现时，信号量是一种记录型数据结 构，有两个分量：一个是信号量的值 另一个是信号量队列的队列指针。
信号量：semaphore
是一个数据结构 定义如下： struct sem { int value; pointer_PCB queue; } 信号量说明： sem s;
1.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 如：进程ＡＢ共享一台打印机，若让它们 交替使用则得到的结果肯定不是我们希望 的。 临界资源可能是硬件，也可能是软件：变 量，数据，表格，队列等。 并发进程对临界资源的访问必须作某种限 制，否则就可能出与时间有关的错误。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
5.互斥的原则： 有空让进 让权等待 忙则等待 有限等待
5.互斥的原则： 有空让进：当无进程在互斥区时，任何 有权使用互斥区的进程可进入 让权等待：并发进程中的某个进程不在 临界区时，不阻止其它进程进入临界区 忙则等待：同时有多个进程要求进入临 界区，只能让其中之一进入临界区，其 他进程必须等待
初值不能为负数
必须说明该信号量所代表的意义
只能执行P、V操作
P,V原语 原语的执行必须是连续的，在执行过程 中不允许被中断 信号量sem是与临界区内的临界资源有 关的信号量 一次P原语操作使得sem.value减1 一次V原语操作使得sem.value加1
P代表荷兰语的Passeren/proberen，
P、V操作的物理含义：
P操作表示“等信号”，即测试一个要
等的信号是否到达；
V操作表示“发信号”。在实现互斥时
就是“临界资源可用”。
在互斥问题中，每执行一次P操作的含
义，可理解为进程请求一个单位的资源； 每执行一次V操作的含义，可理解为进程 释放一个单位的资源
信号量及P、V操作
信号量的物理含义： S>0表示有S个资源可用 S=0表示无资源可用 S<0则| S |表示S等待队列中的进程个数 P(S)：表示申请一个资源 V(S)：表示释放一个资源。
信号量的初值应该大于等于0
对于两个并发进程，1个可用资源互 斥信号量的值仅取1、0和-1三个值 若sem＝1表示没有进程进入临界区 若sem ＝0表示有一个进程进入临界 区 若sem ＝-1表示一个进程进入临界 区，另一个进程等待进入。
思考
对于N个并发进程，1个可用资源，
信号量的取值范围是什么，有什 么含义，m个可用资源呢？
意为“通过/测试或等待”；
V代表荷兰语的Vrijgeren/verhogen，
意为“释放/增加或发信号”。
P原语操作
1.
sem.value减1
2.
3.
若sem.value减1后仍大于或等于 零，则进程继续执行 若sem.value减1后小于零，则进 程被阻塞后插入与该信号相对应 的队列中，转进程调度
流程控制，并把P、V操作加到程序的适 当处。
共享缓冲区的进程的同步
设某计算进程Ｃ和打印进程Ｐ共用一个缓 冲区Buf，Ｃ进程负责不断地计算数据并送 入缓冲区Buf中，Ｐ进程负责不断地从缓冲 区Buf中取出数据去打印。
设有两个信号量，Sb表示缓冲区空，Sa表示 缓冲区满，初始化Sb=1，Sa=0。 两个进程的同步可以描述如下：
系统中存在的这些进程之间存在两种 关系： 资源共享关系：例如共享CPU和I/O 设备、共享数据内存等 相互合作关系：例如在输入进程、 计算进程和打印进程三者之间
针对进程之间存在的两种关系，进程间的作用 方式也有两种： 互斥：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 同步：系统中一些进程需要相互合作，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
P、V操作的物理含义：
P操作表示“等信号”，即测试一个要
等的信号是否到达；
V操作表示“发信号”。这个信号在实
现同步时就是“合作者的伙伴进程已完 成前趋任务”，在实现互斥时就是“临 界资源可用”。
奖获得者，E.W.Dijkstra于1965年提 出了用作进程同步工具的信号量 （semaphore）机制，这是一种卓有成 效的进程互斥同步工具，已被广泛应 用于现代计算机系统中
信号量和P、V操作
，将交通管制中 多种颜色的信号灯管理交通的方法引 入操作系统，让两个或多个进程通过 特殊变量展开交互。
信号量的整型分量的物理含义：
当S
.value ≥0时，表示某类可用资 源的数目，或者说表示可以执行P操作 而不会被阻塞的进程的数目 号量S的阻塞队列中的进程数，即系统 中因请求该类资源而被阻塞的进程的数 目，亦即被信号灯挡住的进程数目
当S .value ＜0时，其绝对值表示信
信号量的使用
必须置一次且只能置一次初值
一种最为简单和直观的解决方法 是： 进程间相互给对方发送执行条件 已经具备的信号
对一个消息赋予唯一的消息名，则可用
过程wait（消息名）表示进程等待合作 进程发来的消息；用signal （消息名） 表示合作进程发送消息 P60
3.6.2 私用信号量
可以把各进程之间发送的消息作为信
号量看待 该信号量只与相互制约的进程有关， 而不是与整组并发进程有关，因此称 为私用信号量Private Sem 称互斥时使用的信号量为公用信号量
2.临界区（Critical Section）
不允许多个并发进程交叉执行的一段程序 在每个进程中访问临界资源的那段代码 注意：临界区是对某一临界资源而言的， 对于不同临界资源的临界区，它们之间不 存在互斥 如有程序段A、B是关于变量X的临界区，而 C、D是关于变量Y的临界区，那么，A、B之 间需要互斥执行，C、D之间也要互斥执行， 而A与C、B与D之间不用互斥执行
P1 P2 P3 P(S)
P(S)
P(S) V(S) V(S) V(S)
临界区
P: P（sem） S V（sem）
P.V操作必须成对出现，有一个P操作
就一定有一个V操作,互斥操作中，同 处于同一进程
信号量机制实施的主要步骤是：
（1）分析清楚涉及的进程间的制约关
系
（2）设置信号量（包括信号量的个数
进程同步：指的是两个或多个进程为了合 作完成同一个任务，在执行速度或某些 个确定的时序点上必须相互协调，即一 个进程的执行依赖于另一个进程——其 合作伙伴的消息，当一个进程到达了某 一确定点而没有得到合作伙伴发来的 “已完成某些操作”的消息时必须等待， 直到该消息到达被唤醒后，才能继续向 前推进。
临界区的描述：临界区按不同的公用 数据划分为不同的集合。这些集合称 为类class When<类名>do<临界区>od
3.互斥是间接制约 进程间要通过某种中介发生联系， 是无意识安排的，例如受共享资源 制约 同步是直接制约 进程间的相互联系是有意识的安 排的
4.什么是互斥 定义：一组并发过程中的一个或多 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 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
缺点：存在一些影响系统可靠性和执行 效率的问题 循环测试定位消耗较多CPU计算时间 某些情况下出现不公平现象，某进程 永久饥饿状态（举例）。原因：每个 进程是否能进入临界区是依靠自己的 测试判断，这样没有获得执行机会的 进程就无法判断 解决方法：设置管理员也就是操作系 统中的信号量
3.5.3 信号量和P,V原语
P操作
P(sem) { sem.value = sem.value -1 ; if (sem.value < 0) { 保护当前进程CPU现场 该进程状态置为等待状态 将该进程的PCB插入相应的等待队列末尾 sem.queue 转进程调度 }else return }
V原语操作 1. sem.value加1 2. 若sem.value加1后大于零，则进 程继续执行 3. 若sem.value加1后小于或等于零， 则从该信号的等待队列中唤醒一 个等待进程，转进程调度
并发执行的多个进程可能产生互斥或
同步的相互制约关系，不采取措施， 可能导致结果的不可再现性。影响系 统效率，而且还可以导致系统崩溃。 为此，现代操作系统都在内核中设有 进程的互斥同步机制，以控制并发执 行的诸进程能有效的共享资源和相互 合作，同时使并发程序的执行仍具有 可再现性。
3.5 进程互斥
保证平等、独立的竞争和使用公有资
源的权力，且保证任一时刻至多只有 一个进程在临界区 有限等待：任何进入互斥区的要求应 在有限的时间内得到满足 保证并发进程不发生死锁
实现互斥的方法
软件：不同的算法实现
加锁
硬件：
在硬件中设置了测试与设置指令
Test-and-Set实现互斥
V操作
V(sem) { sem.value = sem.value +1; if (sem.value < = 0) { 唤醒相应等待队列sem.queue中等待的一 个进程 改变其状态为就绪态 并将其插入就绪队列 } else return
P，V操作用原语来实现，保证了 对临界资源信号量sem的互斥访 问，因为在P,V操作中都要改变 sem值
3.5.4 用P,V原语实现进程互斥
把临界区置于P(sem)和V(sem)之间
用P、V操作原语实现进程的互斥，只
需在相关进程的临界区的前后分别施 以P操作和V操作即可，即在相关进程 的程序里由P操作和V操作原语紧夹着 临界区，就能保证这些进程互斥地进 入各自的临界区
用P.V操作解决进程间互斥问题
3.5.1
资源共享所引起的制约 3.5.2 互斥的加锁实现 3.5.3 信号量和P,V原语 3.5.4 用 P,V原语实现进程互斥
3.5.1.资源共享所引起的制约
课本上的例子 一飞机订票系统，两个终端，运行T1、 T2进程 T1 : T2: ... ... Read(x); Read(x); if x>=1 then if x>=1 then x:=x-1; x:=x-1; write(x); write(x); ... ...
3.5.2 互斥的加锁实现
加锁是一种最简单的实现进程互斥的
方法，它使用一个锁变量W来表示某种 临界资源的状态 W=1表示资源空闲可用；W=0表示资源 正被使用
对临界区加锁以实现互斥
lock（w）= begin local v repeat v <- w until v=1 w <- 0 end 使用完以后unlock（w）将w赋值为1
3.6.3 用 P,V原语操作实现同步
为各并发进程设置私用信号量 为私用信号量赋初值
利用P,V原语和私用信号量规定各
进程的执行顺序
主要步骤是： （1）分析清楚涉及的进程间的制约关
系
（2）设置信号量（包括信号量的个数
和初值，信号量的物理含义）。
（3）给出进程相应程序的算法描述或
共享缓冲区的进程的同步
设某计算进程Ｃ和打印进程Ｐ共用一个缓 冲区Buf，Ｃ进程负责不断地计算数据并送 入缓冲区Buf中，Ｐ进程负责不断地从缓冲 区Buf中取出数据去打印。
分析
通过分析可知，Ｃ、Ｐ进程必须遵守以下同 步规则： 当Ｃ进程把计算结果送入缓冲区时，P进程 才能从缓冲区中取出结果去打印; 当P进程把缓冲区中的数据取出打印后，Ｃ 进程才能把下一个计算结果送入缓冲区 C的输出结果是P的执行条件，P的执行结果 也是C的执行条件 P59
和初值，信号量的物理含义）。
（3）给出进程相应程序的算法描述或
流程控制，并把P、V操作加到程序的适 当处。
3.6
3.6.1
进程同步
同步的概念 3.6.2 私用信号量 3.6.3 用 P,V原语操作实现同步 3.6.4 生产者－消费者问题
3.6.1同步的概念
相互合作的进程之间存在同步 属于直接制约
操作系统中，信号量表示物理资源的
实体，它是整型变量。 实现时，信号量是一种记录型数据结 构，有两个分量：一个是信号量的值 另一个是信号量队列的队列指针。
信号量：semaphore
是一个数据结构 定义如下： struct sem { int value; pointer_PCB queue; } 信号量说明： sem s;
1.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 如：进程ＡＢ共享一台打印机，若让它们 交替使用则得到的结果肯定不是我们希望 的。 临界资源可能是硬件，也可能是软件：变 量，数据，表格，队列等。 并发进程对临界资源的访问必须作某种限 制，否则就可能出与时间有关的错误。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
5.互斥的原则： 有空让进 让权等待 忙则等待 有限等待
5.互斥的原则： 有空让进：当无进程在互斥区时，任何 有权使用互斥区的进程可进入 让权等待：并发进程中的某个进程不在 临界区时，不阻止其它进程进入临界区 忙则等待：同时有多个进程要求进入临 界区，只能让其中之一进入临界区，其 他进程必须等待
初值不能为负数
必须说明该信号量所代表的意义
只能执行P、V操作
P,V原语 原语的执行必须是连续的，在执行过程 中不允许被中断 信号量sem是与临界区内的临界资源有 关的信号量 一次P原语操作使得sem.value减1 一次V原语操作使得sem.value加1
P代表荷兰语的Passeren/proberen，
P、V操作的物理含义：
P操作表示“等信号”，即测试一个要
等的信号是否到达；
V操作表示“发信号”。在实现互斥时
就是“临界资源可用”。
在互斥问题中，每执行一次P操作的含
义，可理解为进程请求一个单位的资源； 每执行一次V操作的含义，可理解为进程 释放一个单位的资源
信号量及P、V操作
信号量的物理含义： S>0表示有S个资源可用 S=0表示无资源可用 S<0则| S |表示S等待队列中的进程个数 P(S)：表示申请一个资源 V(S)：表示释放一个资源。
信号量的初值应该大于等于0
对于两个并发进程，1个可用资源互 斥信号量的值仅取1、0和-1三个值 若sem＝1表示没有进程进入临界区 若sem ＝0表示有一个进程进入临界 区 若sem ＝-1表示一个进程进入临界 区，另一个进程等待进入。
思考
对于N个并发进程，1个可用资源，
信号量的取值范围是什么，有什 么含义，m个可用资源呢？
意为“通过/测试或等待”；
V代表荷兰语的Vrijgeren/verhogen，
意为“释放/增加或发信号”。
P原语操作
1.
sem.value减1
2.
3.
若sem.value减1后仍大于或等于 零，则进程继续执行 若sem.value减1后小于零，则进 程被阻塞后插入与该信号相对应 的队列中，转进程调度
流程控制，并把P、V操作加到程序的适 当处。
共享缓冲区的进程的同步
设某计算进程Ｃ和打印进程Ｐ共用一个缓 冲区Buf，Ｃ进程负责不断地计算数据并送 入缓冲区Buf中，Ｐ进程负责不断地从缓冲 区Buf中取出数据去打印。
设有两个信号量，Sb表示缓冲区空，Sa表示 缓冲区满，初始化Sb=1，Sa=0。 两个进程的同步可以描述如下：
系统中存在的这些进程之间存在两种 关系： 资源共享关系：例如共享CPU和I/O 设备、共享数据内存等 相互合作关系：例如在输入进程、 计算进程和打印进程三者之间
针对进程之间存在的两种关系，进程间的作用 方式也有两种： 互斥：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 同步：系统中一些进程需要相互合作，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
P、V操作的物理含义：
P操作表示“等信号”，即测试一个要
等的信号是否到达；
V操作表示“发信号”。这个信号在实
现同步时就是“合作者的伙伴进程已完 成前趋任务”，在实现互斥时就是“临 界资源可用”。