OS03进程之间的并发控制和死锁

信号量实现进程之间的同步
利用信号量和P、V操作实现进程同步。 对有协作关系的并发进程来说，他们在 使用共享资源时必须互通消息，仅当进 程收到指定的消息后才能使用共享资源， 否则需等待，直到指定的消息到达。
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[ 例 ] 用信号量实现计算进程与打印进程之间的同 步过程。假定计算进程和打印进程共同使用只有 一个单缓冲的缓冲区。为此，引入两个同步信号 量s1和s2。 S1：表示缓冲区是否空，初值为1; S2：表示缓冲区中是否有可供打印的计算结果， 初始值为0。
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P操作原语： //wait(s) ; down(s)
void P (sem &s) { s.value = s.value-1; //表示申请一个资源（或通 过信号量s接收消息） if (s.value < 0)
{ add this process to s.pointer;
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信号量解决临界区的互斥使用
int mutex=1; P1： … P(mutex); critical section； V(mutex); … P2： … P(mutex); critical section； V(mutex); …
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用信号量可以方便地解决 n 个进程互斥使用临界

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进程Pi要求进入临界区的代码
dห้องสมุดไป่ตู้{
flag[i]=true; turn=j; while( flag[j] && turn==j ); 临界区; flag[i]=false; remainder section; }while(1); 为了进入临界区，进程Pi首先设置flag[i]为true，设 置turn为j，从而表示如果另一个想进入临界区，那么 它能进入。如果两个进程同时试图进入，那么turn会 几乎同时设置成i和j，但只有一个赋值语句的结果会 保持，最终turn值决定了谁能进入临界区。
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Consumer：{ … P(full); //申请有数据的缓冲 P(mutex); //申请访问共享缓冲区 y = buffer [j]; //取一个产品 j = (j+1) % k; V(mutex); V(empty); //空缓冲的个数加1 … }
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void main(){ int w=0; /*资源空闲*/ n=/*并发进程数 */ p(1);p(2);…;p(n);} 第13页
显然，采用 这种加锁语 句，由于进 程循环测试， 白白浪费了 CPU的时间。 这种现象又 叫做“忙 等”。
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3.2.2
进程之间的同步
同步的原因：一组进程要合作完成一项任务。
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为了正确而有效地使用临界资源，系统 中的并发进程需要遵循如下四个准则： 任何两个进程不能同时处于其临界区。 不应对CPU的速度和数量做任何假设。 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程 进入。 不得使进程无限期等待在临界区之外。 （饿死）
互斥使用；公平竞争；有空让进；有限等待
桔子 爸 爸 初始状态：同步信号量 s1=1，表示盘子为空。 放苹果发同步信号s2， 放桔子发同步信号s3。 盘子 苹果 女儿等信号s2， 发信号s1
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儿子等信号s3， 发信号s1
Daughter： { while(1) { Father： p(s2); { while(1) { 从盘中取出苹果； p(s1); v(s1); } } if(放入的是苹果) v(s2); else v(s3); Son： } { while(1) { } p(s3); 从盘中取出桔子； v(s1);
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优点：简单。 缺点： 系统无法响应任何中断，限制了系统并 发执行的能力。 多处理机系统，禁止中断仅仅对执行本 指令的那个CPU有效。其他CPU仍将继续 运行，并可以访问共享资源，而进入临 界区。并不能保证互斥。

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(2) 使用测试和设置指令

锁位变量W ：为每个临界资源设置一个，以指 示 其 当 前 状 态 。 W=0 ， 表 示 资 源 空 闲 可 用 ； W=1，表示资源已被占用。
资源的问题。信号量的取值范围是 +1 ～ -(n-1) 。
信号量值为负时，说明有一个进程正在临界区执
行，其它的正排在信号量等待队列中等待，等待 的进程数等于信号量值的绝对值。 [ 例 ] 若 P 、 V 操作的信号量初值为 1 ，当前值为 -3 ， 则表示有 3个等待进程。
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用硬件实现互斥的方法
(1) (2)
关中断 在进程刚进入临界区之前，禁止 所有中断；离开之后再打开中断。因为 CPU只有在发生时钟中断或其它中断时才 会进行进程切换。
关中断(disable Interrupt) 〈critical section〉 开中断(enable Interrupt)
block(); // 资源用完，调用阻塞原语。“让 权等待” } }
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V操作原语：// signal(s); up(s) Void V (sem &s) { s.value = s.value+1;
//释放一个资源（或通过信号量s发消息）
if (s.value <= 0) {//表示在信号链表中，仍有
[例]两个用户进程共享缓冲区。计算进程将计算结 果送入共享缓冲区，打印进程从缓冲区取数据打 印。缓冲区空时不能取数据，满时不能送数据。

由于计算进程与打印进程访问缓冲区的速度不匹 配，需要进行同步。

为了使进程同步，需要引入信号量机制。
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2.6.3 信号量和P,V操作
1965年，荷兰学者Dijkstra提出的一种同 步机制---信号量机制。 基本原理：两个或多个进程可以通过简单 的信号实现合作。一个进程可以被迫在某 一位置等待，直到它接收到一个特定的信 号。
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2.6.1 进程之间的互斥
进程的互斥是由于共享资源而引起的
共享资源：①慢速的硬设备，如打印机等资源，
②软件资源，如共享变量、共享文件等。
临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。 临界区(critical section)：就是并发执行的进程访
问临界资源的那段必须互斥执行的程序。
[ 例] 假定有一组生产者和消费者进程，通过一个 有界环形缓冲区（有 k个缓冲块）发生联系。 生产者将生产的产品放入缓冲区，消费者从 缓冲区取用产品。 当缓冲区满时，生产者要等消费者取走一个 产品后才能向缓冲区放下一个产品；当缓冲 区空时，消费者要等生产者放一个产品后才 能从缓冲区取下一个产品。

计算进程 Pc
buffer
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打印进程 Pp
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int s1=1，s2=0; Pc：{… 生产一个数据 P(s1); 将数据加入缓冲区 V(s2); …} Pp：{… P(s2); 从缓冲区取一个数据 V(s1); 消费数据 …}
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能否用一 个同步信 号量？
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信号量解决生产者和消费者问题
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A进入临界区
A离开临界区
进程A
B试图进入 临界区 B进入 临界区 B离开 临界区
B阻塞
进程B
T1 T2 T3
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T4 time
使用临界区的互斥
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解决进程之间互斥的方法
软件实现方法 硬件实现方法

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临界区互斥软件实现方法
算法：设有两个进程Pi和Pj，通过两 个共享两个变量，控制进入临界区： boolean flag[2]; int turn; 初值，flag[i]=flag[j]=false; turn=0；
[例] 进程P1和P2在运行中都要使用打印机， 打印机的使用必须独占。
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(2) 系统中存在若干协作进程
同步关系：通常，一个用户作业涉及一组并发进程 （输入、计算和输出进程），这些进程须相互协 作。在运行过程中，这些进程可能要在某些同步 点上等待协作者发来信息后才能继续运行。这种 制约关系叫做直接制约关系。 Type a.c|sort 进程的同步与互斥关系,叫做进程通信，也叫低级 通信。 (Inter-Process Communication, IPC)

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信号量表示资源的物理实体 typedef struct{ //信号量的类型描述 int value; //表示该类资源的可用数量 struct process *pointer; //等待使用该
类资源的进程排成队列的头指针。
}semaphore, sem;
对信号量S只允许执行P、V操作。 P、V操作由原语组成，执行过程中不可分割。
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生产者1 生产指针 i
消费指针 j
消费者1
生产者2
…
消费者2
… buffer [k]
生产者M
消费者N
empty：表示空缓冲区的容量，初值为k full：有数据的缓冲个数，初值为0 mutex：互斥访问缓冲区的信号量，初值为1
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int mutex=1, empty=k, full=0, i=0, j=0; DataType x,y,buffer [k]; Producer：{ … produce a product x; P(empty); //申请空缓冲 P(mutex); //申请访问共享缓冲区 buffer [i] = x; //放入一个产品 i = (i+1) % k; V(mutex); V(full); // 有数据的缓冲个数加1 … }
等待使用该资源的进程被阻塞。
remove a process P from s. pointer; wakeup(P);//调用唤醒原语。 }
}
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显然， P 、 V 操作的引入，克服了加锁操 作的忙等待现象，提高了系统的效率。
操作系统正是利用信号量的状态来对进 程和资源进行管理和控制的。

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根据用途不同，可以把信号量分为公用 信号量和私用信号量。 公用信号量（互斥信号量）用于解决进 程之间互斥进入临界区。 私用信号量（同步信号量）用于解决异 步环境下进程之间的同步。
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利用信号量实现进程之间的互斥

设置一个互斥信号量 mutex ，初值为 1 ，表 示该临界资源空闲。 调用P(mutex)申请临界资源。 调用V(mutex)释放临界资源。 只需把临界区代码置于P(mutex)和 V(mutex) 之间，就可实现临界资源的互斥使用了。
[注意P操作的次序]

在确信有可用资源后再申请对整个缓冲区 的互斥操作。若先申请对整个缓冲区的互 斥操作，后申请自己对应的缓冲区资源， 就可能死锁。 出现死锁的条件：申请到对整个缓冲区的 访问操作后，才发现自己对应的缓冲区资 源已经用完。
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[例 ] 桌上有一空盘，一次只允许放一只水果。爸爸不 断向盘中放苹果或桔子，儿子专吃盘中的桔子， 女儿专吃盘中的苹果。请用 P 、 V 操作实现爸爸、 儿子、女儿三个并发进程的同步。
生产者和消费者是相互合作进程关系的一种抽象 生产者：当进程释放一个资源时，可把它看成是 该资源的生产者， 消费者：当进程申请使用一个资源时，可把它看 成该资源的消费者。

[例] 上述例子中 计算进程：打印数据的生产者；空缓冲的消费者 打印进程：打印数据的消费者；空缓冲的生产者
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testandset指令可定义如下：

Testandset(){ K: if(w==1) goto k； else w=1； }//一条机器指令，其执行不可被中断。
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void p(int i){ while(1){ testandset(); <critical section> w=0; <remainder section> } }
第3章
1. 2. 3.
进程之间的并发控制和死锁
进程的低级通信：互斥、同步、P/V操 作、管程 进程的高级通信：消息传递 死锁：多进程竞争有限资源
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(1) 各并发进程对资源的共享
互斥关系：通过共享资源而使进程之间产 生的关系叫做间接制约关系，又叫做互斥 关系。可用“进程-资源-进程”来描述。