进程管理四经典进程同步问题

11
同步/互斥信号量的使用方法
• 互斥信号量
– 必定成对出现：进入临界区——临界区——退出 临界区
• 同步信号量
– 未必成对出现，依赖于同步关系的性质
• 同步信号量和互斥信号量的操作顺序
– 基本原则：互斥信号量永远紧邻临界区:同步在前， 互斥在后。
12
2.4.2 信号量集
信号量集用于同时需要多个资源时的信号量操作；
end parend end
9
4 用信号量实现进程的同步--生产者－消费者问题总结
思考1：mutex和empty两个信号量之间有什么区别吗？
思考2：多信号量的操作顺序有要求吗？
互斥信号量 mutex：防止多个进程同时进入临界区 同步信号量 empty和full：保证事件发生的顺序 缓冲区满时，Producer停止运行 缓冲区空时，Consumer停止运行 概念差别——互斥与同步（并发的两个要素） 互斥：保护临界区，防止多个进程同时进入 同步：保证进程运行的顺序合理
7
在生产者进程中使用一局部变量nextp，用 于暂时存放每次刚生产出来的产品；而
在消费者进程中，则使用一个局部变量
nextc，用于存放每次要消费的产品。
8
Var mutex，empty，full: semaphore:=1,n,0； buffer:array[0，…，n-1] of item； in，out: integer:=0，0； begin parbegin proceducer: begin repeat producer an item nextp； wait(empty)； wait(mutex)； buffer(in):=nextp； in:=(in+1) mod n； signal(mutex)； signal(full)； until false； end
4 用信号量实现进程的同步--生产者－消费者问题
5
4 用信号量实现进程的同步--生产者－消费者问题
6
• 我们可利用一个数组来表示上述的具有n个(0， 1，…，n-1)缓冲区的缓冲池。用输入指针in来 指示下一个可投放产品的缓冲区，每当生产者 进程生产并投放一个产品后，输入指针加1； 用一个输出指针out来指示下一个可从中获取 产品的缓冲区，每当消费者进程取走一个产品 后，输出指针加1。由于这里的缓冲池是组织 成循环缓冲的，故应把输入指针加1表示成 in:= (in+1)mod n； 输出指针加1表示成out:= (out+1) mod n。
10
思考
• 生产者进程中，两个wait操作的顺序能否互 换？ 如果某种原因使得生产者进程执行了多次，而消费者 进程一次也没执行，从而全部缓冲区都存满新数据时， • 生产者进程先执行 wait(mutex),再执行 再执行一次生产者进程就会死锁。 wait(empty), 何时会出错？ 如果某种原因使得消费者进程执行了多次，而生产者 • 消费者进程中，先 wait(mutex)，再wait(full) 进程一次也没执行，从而全部缓冲区都为空时，再执 何时会出错？ 行一次消费者进程就会死锁。
• 当S>=1时，允许多个进程进入临界区； • 当S=0时，禁止任何进程进入临界区；
• 一般"信号量集"未必成对使用Swait和Ssignal： 如：一起申请，但不一起释放；
21
2. 读者－写者问题(the readers-writers problem)
• 问题描述
– 写者向数据区放 数据，读者从数 据区获取数据 – 多个读者可同时 读取数据 – 多个写者不能同 时写数据 – 读者和写者的控 制策略变化多端
13
Swait(S1, S2, …, Sn) {
//同时的P原语；
if (S1 >=1 && S2 >= 1 && … && Sn >= 1) { //满足资源要求时的处理； for (i = 1; i <= n; ++i) --Si; //注：与wait的处理不同，这里是在确信可满足 //资源要求时，才进行减1操作； } else { //某些资源不够时的处理； 调用进程进入第一个小于1信号量的等待队列Sj.queue; 阻塞调用进程; 将调用进程的PC置为swait操作开头 } }
Swait(S1, S2, …, Sn) //P原语； { while (TRUE) { if (S1 >=1 && S2 >= 1 && … && Sn >= 1) { //满足资源要求时的处理； for (i = 1; i <= n; ++i) --Si; //注：与wait的处理不同，这里是在确信可满足 //资源要求时，才进行减1操作； break; } else { //某些资源不够时的处理； 调用进程进入第一个小于1信号量的等待队列Sj.L; 阻塞调用进程; 将调用进程的PC置为swait操作开头 } } }
3
4 用信号量实现进程的同步--生产者－消费者问题
• 互斥关系分析
– 任何时刻，只能有一个进程在缓冲区中操作 – 引入互斥信号量（mutex） – 信号量初值为1. 如果变为0，表明已有进程进入临界区；
• 同步关系分析
– 对于“生产者”而言，缓冲区满则应等待 – 引入同步信号量“empty”，初值为n。为0表示缓冲区全 满 – 对于“消费者”而言，缓冲区空则应等待 – 引入同步信号量“full”，初值为0表示缓冲区全空 4
16
producer: begin repeat produce an item in nextp； Swait(empty，mutex)； buffer(in):=nextp； in:=(in+1)mod n； Ssignal(mutex，full)； until false； end
consumer: begin repeat Swait(full，mutex)； Nextc:=buffer(out)； Out:=(out+1) mod n； Ssignal(mutex，empty)； consumer the item in nextc； until false； end
consumer: begin repeat wait(full)； wait(mutex)； nextc:=buffer(out)； out:=(out+1) mod n；
signal(mutex)；
signal(empty)； consumer the item in nextc；
until false；
怎样判断有没有读者在读？
增加一个公共变量Readcount，表示当前有 几个读者进程在读。
新来一个读者进程，Readcount加1； 撤销一个读者进程，Readcount减1； 第一个读者：阻塞所有写者进程；允许其他读者进程执行。 最后一个读者：唤醒可能的写者进程。 Readcount成为临界资源，必须互斥访问： 增加互斥信号量Rmutex
14
Ssignal(S1, S2, …, Sn) { for (i = 1; i <= n; ++i) { ++Si; //释放占用的资源； for (each process P waiting in Si.queue) //检查每种资源的等待队列的所有进程； { 从等待队列Si.queue中取出进程P; 进程P进入就绪队列; } } }
复习
•记录型信号量及其wait、Signal操作意义； •生产者--消费者问题：信号量意义、初值 •生产者进程中，两个wait操作顺序能否颠倒， 为什么？ •什么情况下会产生死锁现象？ •And型信号量机制及其Swait、Ssignal操作 意义
1
进程通信
经典进程同步问题
• 生产者－消费者问题
– 有界缓冲区问题的建模
• 哲学家进餐问题
– 多进程同步问题的建模
• 读者－写者问题
– 数据库互斥访问问题的建模
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 理发师睡觉问题
– CS模式进程同步问题的建模
2
4 用信号量实现进程的同步--生产者－消费者问题
• 我们把前面面的例子 扩充，假定缓冲区 buffer 是一个有界缓冲 区，可存放 n 个数据， 同时假定有n个CP进程 不 断 地 产 生 数 据， 并 送 buffer ； 有 m 个 IOP 进程从缓冲区中取数 据打印。 • 在我们生活中有很多 这样的例子。
17
2. 一般“信号量集”
一般信号量集用于同时需要多种资源、每种占用的数目不同、 且可分配的资源还存在一个临界值时的处理；
• 问题：一次需要N个某类临界资源时，就要进行N次 wait操作－－低效又可能死锁 • 方法：在AND型信号量集的基础上进行扩充：进程 对信号量Si的测试值为ti（用于信号量的判断，即当 Si>= ti时，表示可用资源数量大于ti，才分配资源， 否则便不予分配），占用值为di（用于信号量的增减， 即 • 分配资源时Si = Si – di 释放资源时Si = Si + di） • Swait(S1, t1, d1; ...; Sn, tn, dn); 18 • Ssignal(S1, d1; ...; Sn, dn);
22
读者－写者问题的信号量解法
• 互斥关系分析
– 读者和写者不能同时进入共享数据区 – 多个写者不能同时进入共享数据区 写--写互斥 – 多个读者可以同时进入共享数据区
读--写互斥
• 同步关系分析
– 读者进入缓冲区，写者必须等待 – 写者进入缓冲区，读者必须等待 – 三种类型：
• 读者优先：一旦有读者进入，则后续读者均可进入 • 合理顺序：读者在先来的写者之后 • 写者优先：只要有写者等待，则后续读者必须等待
需要注意： 原先处于阻塞状态的进程，被唤醒后，从何处开始执行？ 与 记录型信号量机制有何不同？
15
生产者－消费者问题 － AND型信号量机制
• 若不愿意考虑wait操作的先后顺序，也可用AND型信号 量来实现。 • 生产者进程中： – 用Swait(empty,mutex)代替wait(empty)和wait(mutex), – 用Ssignal(mutex,full)代替signal(mutex)和signal(full) • 消费者进程中 – 用Swait(full,mutex)代替wait(full)和wait(mutex), – 用Ssignal(mutex,empty)代替signal(mutex)和 signal(empty)
1. AND型信号量集
AND型信号量集用于同时需要多种资源且每种占用一个时的信 号量操作； • 问题：一段处理代码需要同时获取两个或多个临界资源―― 可能死锁：各进程分别获得部分临界资源，然后等待其余的 临界资源，"各不相让" • 解决方法：在一个wait原语中，将一段代码同时需要的多个 临界资源，要么全部分配给它，要么一个都不分配。称为 Swait(Simultaneous Wait)。 • 在Swait时，各个信号量的次序并不重要，虽然会影响进程归 入哪个阻塞队列。由于是对资源全部分配或不分配，所以总 有进程获得全部资源并在推进之后释放资源，因此不会死锁。
19
Ssignal(S1, S2, …, Sn) { for (i = 1; i <= n; ++i) { ++Si; //释放占用的资源； for (each process P waiting in Si.L) //检查每种资源的等待队列的所有进程； { 从等待队列Si.L中取出进程P; 进程P进入就绪队列; } } } }
23
• 当读者进程到来时，三种情况：
– 1）无读者、写者：新读者可以读 读--写互斥 – 2）有写者等待，但有其它读者正在读：新读者也 可以读 – 3）有写者写：新读者等 读--写互斥 读--写互斥 写—写互斥： • 当写者进程到来时，三种情况： 互斥信号量 – 1）无读者、其他写者：新写者可以写 Wmutex – 2）有读者：新写者等待 读--写互斥 – 3）有其它写者：新写者等待 写--写互斥 24
需要注意： 原先处于阻塞状态的进程，被唤醒后，从何处开始执行？ 与 记录型信号量机制有何不同？
20
• 一般"信号量集"的几种特定情况：
– Swait(S, d, d)表示每次申请d个资源，当少于d个 时，便不分配； – Swait(S, 1, 1)表示互斥信号量； – Swait(S, 1, 0)作为一个可控开关