并发进程

与同一变量有关的临界区分散在各进程的程序段 中，而各进程的执行速度不可预知。 如果保证进程在临界区执行时，不让另一个进程进 入临界区，即各进程对共享变量的访问是互斥的，就
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不会造成与时间有关的错误。 兰州理工大学计算机与通信学院
操作系统原理
Principle of Operating System
P3{ receive，output }
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操作系统原理
Principle of Operating System
与时间有关的错误
对于一组交往的并发进程，执行的相对速 度无法相互控制，各种与时间有关的错误就 可能出现。 与时间有关错误的表现形式： 结果不唯一 永远等待
进程的并发性
进程执行的并发性：一组进程的执行在时间上是 重叠的。 从宏观上看，并发性反映一个时间段中几个进程 都在同一处理器上，处于运行还未运行结束状态。从 微观上看，任一时刻仅有一个进程在处理器上运行。 并发的实质是一个处理器在几个进程之间的多路 复用，并发是对有限的物理资源强制行使多用户共 享，消除计算机部件之间的互等现象，以提高系统资 源利用率。
Baidu Nhomakorabea测试并建立指令
TS指令的处理过程 TS(x): 若x=true，则x:=false； return true；否则 return false； TS指令管理临界区时，可把一个临界区与 一个布尔变量s相连，由于变量s代表了临界资源 的状态，可把它看成一把锁。
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记录型信号量
为一个记录型数据结构,一个分量为整形 设 s为一个记录型数据结构 一个分量为整形 为一个记录型数据结构 另一个为信号量队列queue, P和V操 量value,另一个为信号量队列 另一个为信号量队列 和 操 作原语定义： 作原语定义： P(s)；将信号量s减去 ，若结果小于 ，则调 ；将信号量 减去 若结果小于0， 减去l， 的进程被置成等待信号量s的状态 用P(s)的进程被置成等待信号量 的状态。 的进程被置成等待信号量 的状态。 V(s)： 将信号量 加 1， 若结果不大于 ， 则 ： 将信号量s加 ， 若结果不大于0， 释放一个等待信号量s的进程 的进程。 释放一个等待信号量 的进程。
临界区的调度原则： 临界区的调度原则： 一次至多允许一个进程进入临界区内 一个进程不能无限地停留在临界区内 一个进程不能无限地等待进入临界区 有空让进、 即--有空让进、无空等待、 有空让进 无空等待、 择一而入、算法可行。 择一而入、算法可行。
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第三章 并发进程
3.1 并发进程 3.2 临界区管理 信号量与PV PV操作 3.3 信号量与PV操作 3.4 死锁
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操作系统原理
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实现临界区管理的硬件设施 的硬件设施 实现临界区
（1） 关中断
（2） 测试并建立指令 （3） 对换指令
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进程互斥(Mutual Exclusion) 进程互斥
解决进程间竞争关系(间接制约关系)的手段。 进程互斥指若干进程要使用同一共享资源时， 任何时刻最多允许一个进程使用，其他进程必须 等待，直到占有资源的进程释放该资源。
操作系统原理
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信号量与PV PV操作 3.3 信号量与PV操作
同步与同步机制 记录型信号量与PV操作 记录型信号量与PV操作 PV 用记录型信号量实现互斥 记录型信号量解决生产者记录型信号量解决生产者-消费者问题
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第二种是协作关系
某些进程为完成同一任务需要分工协作。进程的同 步是解决进程间协作关系(直接制约关系)的手段。 进程同步指两个以上进程基于某个条件来协调它们 的活动。一个进程的执行依赖于协作进程的消息或信 号，当一个进程没有得到来自于协作进程的消息或信 号时需等待，直到消息或信号到达才被唤醒。
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顺序程序设计特点
程序执行的顺序性 程序环境的封闭性 程序执行结果的确定性 计算过程的可再现性
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对换指令
对换（ 对换（Swap）指令的功能是交换 ） 两个字的内容： 两个字的内容： Swap (a,b): temp:=a; a:=b; b:=temp;
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整型信号量
为一个整形量， 设 s为一个整形量，除初始化外，仅能通过 、 为一个整形量 除初始化外，仅能通过P、 V操作访问，P和V操作原语定义： 操作访问， 和 操作原语定义 操作原语定义： 操作访问 P(s)：while s≤0 do null operation ： s：=s-1； ： ； V(s)： s：=s+1； ： ： ；
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交往的并发进程
交往的并发进程：一组并发进程共 享某些变量，一个进程的执行可能影 响其他并发进程的结果。 例如：P1 { input，send } P2{ receive，process，send }
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生产者--消费者问题描述(有界缓冲问题) 生产者--消费者问题描述(有界缓冲问题) --消费者问题描述 有n个生产者和m个消费者，连接在一 个生产者和m个消费者， 个有k个单位缓冲区的有界缓冲上。其中， 个有k个单位缓冲区的有界缓冲上。其中， pi和cj都是并发进程，只要缓冲区未满， pi和cj都是并发进程，只要缓冲区未满， 都是并发进程 生产者pi生产的产品就可投入缓冲区； 生产者pi生产的产品就可投入缓冲区；只 pi生产的产品就可投入缓冲区 要缓冲区不空，消费者进程cj就可从缓冲 要缓冲区不空，消费者进程cj就可从缓冲 cj 区取走并消耗产品。 区取走并消耗产品。
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记录型信号量与PV操作 记录型信号量与PV操作 PV
前节种种方法解决临界区调度问题的缺点: 前节种种方法解决临界区调度问题的缺点: 对不能进入临界区的进程， 1) 对不能进入临界区的进程 ， 采用忙式等待测试 法，浪费CPU时间。 浪费CPU时间。 CPU时间 2) 将测试能否进入临界区的责任推给各个竞争的 进程会削弱系统的可靠性，加重了用户编程负担。 进程会削弱系统的可靠性，加重了用户编程负担。 1965年E.W.Dijkstra提出了新的同步工具--信号量 1965年E.W.Dijkstra提出了新的同步工具--信号量 提出了新的同步工具-和P、V操作。 操作。
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同步和同步机制
著名的生产者--消费者问题是计算机操作 著名的生产者--消费者问题是计算机操作 -系统中并发进程内在关系的一种抽象， 系统中并发进程内在关系的一种抽象，是典 型的进程同步问题。 型的进程同步问题。 在操作系统中， 在操作系统中，生产者进程可以是计算进 程、发送进程；而消费者进程可以是打印进 发送进程； 程、接收进程等等。解决好生产者--消费者 接收进程等等。解决好生产者--消费者 -问题就解决好了一类并发进程的同步问题。 问题就解决好了一类并发进程的同步问题。
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无关的并发进程
并发进程分类：无关的，交往的。 并发进程分类：无关的，交往的。 分类 无关的并发进程： 无关的并发进程：一组并发进程分别在不同 的变量集合上操作，一个进程的执行与其他并 的变量集合上操作， 发进程的进展无关。 发进程的进展无关。
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进程的交往： 进程的交往：竞争与协作
第一种是竞争关系 系统中的多个进程之间彼此无关 系统中的多个进程之间彼此相关 资源竞争的两个控制问题： 一个是死锁(Deadlock)问题，一个是饥饿 (Starvation) 问题，既要解决饥饿问题，又 要解决死锁问题。
进程的顺序性
一个进程在顺序处理器上的执行是严格 按序的，一个进程只有当一个操作结束后， 才能开始后继操作 顺序程序设计是把一个程序设计成一个 顺序执行的程序模块，顺序的含义不但指一 个程序模块内部，也指两个程序模块之间。
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3.1 并发进程
进程的顺序性 进程的并发性 与时间有关的错误 进程的交互（ 进程的交互（Interaction Among Processes）： ）：协作和竞争 Processes）：协作和竞争
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信号量： 信号量：一种软件资源 原语： 原语：内核中执行时不可被中断的过程 P操作原语和 操作原语 操作原语和V操作原语 操作原语和 一个进程在某一特殊点上被迫停止执行直 到接收到一个对应的特殊变量值， 到接收到一个对应的特殊变量值 ，这种特 殊变量就是信号量(semaphore)，复杂的进 殊变量就是信号量 ， 程合作需求都可以通过适当的信号结构得 到满足。 到满足。
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3.2 临界区管理
资 源”(Critical Resource)。
并发进程中与共享变量有关的程序段叫“临界
区”(Critical Section)，共享变量代表的资源叫“临界