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课程主要内容

课程主要内容. 操作系统引论（ 1 章） 进程管理（ 2-3 章） 存储管理（ 4 章） 设备管理（ 5 章） 文件管理（ 6 章） 操作系统接口（ 7 章）. 进程管理 --- 第 2 章. 进程的基本概念与控制 2.1 进程的基本概念 2.2 进程控制 2.6 线程的基本概念 2.7 UNIX 中进程的描述与控制. 进程管理 --- 第 2 章. 进程同步与通信 2.3 进程同步 2.4 经典进程的同步问题 2.5 进程通信 调度与死锁（第 3 章）. 本章作业. 2.3 进程同步.

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  1. 课程主要内容 • 操作系统引论（1章） • 进程管理（2-3章） • 存储管理（4章） • 设备管理（5章） • 文件管理（6章） • 操作系统接口（7章）

  2. 进程管理---第2章 • 进程的基本概念与控制 • 2.1 进程的基本概念 • 2.2 进程控制 • 2.6 线程的基本概念 • 2.7 UNIX中进程的描述与控制

  3. 进程管理---第2章 • 进程同步与通信 • 2.3 进程同步 • 2.4 经典进程的同步问题 • 2.5 进程通信 • 调度与死锁（第3章） 本章作业

  4. 2.3 进程同步 • 进程同步是指对多个相关进程在执行次序上进行协调，它的目的是使系统中诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性；或系统中诸进程之间在逻辑上的相互制约的关系（直接的-同步；间接的—互斥）。 • 用来实现同步的机制称为同步机制。如：信号量机制；管程机制。

  5. 2.3 进程同步 一.进程同步的基本概念 1.两种形式的制约关系 2.临界资源、临界区 3.同步机制应遵循的规则 二.信号量机制 1.整型信号量 2.记录型信号量 3.AND型信号量集、一般信号量集 三.信号量的应用 1.信号量实现进程互斥 2.信号量描述进程间的前趋关系 返回目录

  6. 一、进程同步的基本概念 1、两种形式的制约关系 系统中诸进程之间在逻辑上存在着两种制约系： • 直接制约关系；进程之间为了共同完成某项任务，或者协作完成，有意识彼此相互“交换信息”。如前分别将I、C和P都看成是进程。(进程同步) • 间接制约关系；进程之间通过竞争系统某些资源产生的关系称为间接制约关系，它们之间是通过某种“媒介”而产生了“关系”。(进程互斥)

  7. CPU 空闲 CPU 空闲 结束 B打印 A打印 下一步 下一步 下一步 下一步 间接制约关系示例： 打印请求 A完成  用户A 打印请求 B完成 CPU 用户B 打印机 (系统负责打印) A打完 B打完 A进入等待打印完成阻塞队列 B被唤醒从阻塞进入就绪队列,后投入运行 B进入申请打印机阻塞队列 A被唤醒从阻塞进入就绪队列,后投入运行;B分配打印机

  8. 一、进程同步的基本概念 同步与互斥的比较

  9. 一、进程同步的基本概念 2、临界资源、临界区 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。 临界区（互斥区）：critical section 在进程中涉及到临界资源的程序段叫临界区 多个进程的临界区称为相关临界区

  10. … If a < 0 then a := a +1 else a:= a-1 … P1 P3 … a := a +1 print (a) … 互斥 互斥 一、进程同步的基本概念 2、临界资源、临界区 … a := a -1 print (a) … P2 互斥 进程的互斥（间接作用）

  11. 一、进程同步的基本概念 2、临界资源、临界区 程序 段1 程序 段3 程序 段2 共享变量

  12. A: R1=X; R1=R1+1; X=R1; B: R2=X; R2=R2+1; X=R2; （1）变量X必需按临界资源处理。 （2）每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区 A: R1=X; B: R2=X; A: R1=R1+1; X=R1; B: R2=R2+1; X=R2; 一、进程同步的基本概念 • 例：有两个进程A和B，它们共享一个变量x，且两个进程按以下方式对变量X进行访问和修改: 其中R1和R2为处理机中的两个 寄存器。A与B均对X+1，即X+2。 若按另一顺序对变量进行修改： 结果x只加了1。

  13. 一、进程同步的基本概念 2、临界资源、临界区 实现各进程互斥进入临界区 进程须在临界区前面增加一段用于进行上述检查的代码，称为进入区(entry section)。在临界区后面加上一段称为退出区(exit section)的代码 While (1) { 进入区代码; 临界区代码; 退出区代码; 其余代码 ; }

  14. 进入区 临界区 退出区 剩余区 一、进程同步的基本概念 2、临界资源、临界区 • 要进入临界区的若干进程必须满足： （1）一次只允许一个进程进入临界区 （2）任何时候，处于临界区的进程不得多于一个 （3）进入临界区的进程要在有限的时间内退出 （4）如果不能进入自己的临界区，则应让出处理机资源 • 解决临界区（互斥）问题的方法：P-V操作

  15. 3、同步机制应遵循的规则 一、进程同步的基本概念 • 有空让进(空闲让进）:当无进程处于临界区时，表明临界资源处于空闲状态，应允许一个请求进入临界区的进程立即进入自己的临界区，以有效地利用临界资源。 • 互斥（忙则等待）:当已有进程进入临界区时，表明临界资源正在被访问，因而其他试图进入临界区的进程必须等待，以保证对临界资源的互斥访问。

  16. 一、进程同步的基本概念 3、同步机制应遵循的规则 • 有限等待:对要求访问临界资源的进程，应保证在有限时间内能进入自己的临界区，以免陷入“死等”状态。 • 让权等待:当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机，以免进程陷入“忙等”。 返回

  17. 二、信号量机制 • 信号量机制是荷兰科学家E.W.Dijkstra在1965年提出的一种同步机制，也称为P、V操作。由最初的整型信号量发展为记录型信号量，进而发展为信号量集。 • 整型信号量 • 记录型信号量 • 信号量集（AND信号量集、一般信号量集）

  18. 1、整型信号量 • 整型信号量——非负整数，除了初始化外，只能通过两个原子操作wait和signal（P，V）来访问。 • wait和signal操作描述： wait(S)： while S0 do no-op 测试有无可用资源 S:=S-1; 可用资源数减一个单位signal(S): S:=S+1; • 主要问题：只要S0， wait操作就不断地测试（盲等），因而，未做到“让权等待”。

  19. 2、记录型信号量 • 基本思想 1、设置一个代表资源数目的整型变量value（资源信号量） 2、设置一链表L用于链接所有等待的进程 • 记录型信号量的数据结构 Type semaphore=record value:integer; L: list of process; end

  20. 2、记录型信号量 • P、V操作 除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作wait(S)和signal(S)来访问。很长时间以来，这两个操作一直被称为P、V操作。 原子操作（atomic action）或简称“原语”(primitive)：在执行上不可中断的操作。

  21. 2、记录型信号量 • P、V操作定义 P(s) /*= wait(s)）*/ { s.value=s.value－1; if (s.value < 0) block(s.queue) } 该进程状态置为等待状态 将该进程的PCB插入相的等待队列末尾s.queue;

  22. 2、记录型信号量 • P、V操作定义 V(s) /*=signal(s) */ { s.value=s.value+1; if (s.value <= 0) wakeup(s.queue) } 唤醒相应等待队列s.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

  23. 2、记录型信号量 • P、V操作含义 • 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、V操作的含义 • 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≥0

  24. 3、信号量集---AND型信号量 • AND型信号量的基本思想 将进程在整个运行过程中所需要的所有临界资源，一次性全部分配给进程，待进程使用完后再一起释放。只要有一个资源未能分配给进程，其它所有可能分配的资源也不分配给该进程。从而可避免死锁发生。在wait操作中，增加了一个“AND”条件，故称为AND同步。

  25. 3、信号量集---AND型信号量 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P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Sj.queue; 阻塞调用进程; } Ssignal(S1, S2, …, Sn) //V原语略；见书

  26. 3、信号量集---一般信号量 • 一般信号量集是指同时需要多种资源、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信号量处理 • 一般信号量集的基本思路就是在AND型信号量集的基础上进行扩充，在一次原语操作中完成所有的资源申请。

  27. 3、信号量集---一般信号量 • 进程对信号量Si的 测试值为ti（表示信号量的判断条件，要求Si >= ti；即当资源数量低于ti时，便不予分配） 占用值为di（表示资源的申请量，即Si = Si - di） 对应的P、V原语格式为： • Swait(S1, t1, d1; ...; Sn, tn, dn); • Ssignal(S1, d1; ...; Sn, dn);

  28. 3、信号量集---一般信号量 一般“信号量集”可以用于各种情况的资源分配和释放，几种特殊情况： • 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)可作为一个可控开关（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） 返回

  29. 三、信号量的应用 • 利用信号量实现进程互斥 Process1: Process2: while (true) { P(mutex); critical section; V(mutex); remainder section; } while (true) { P(mutex); critical section; V(mutex); remainder section; }

  30. 三、信号量的应用 例:三个进程共用两个I/O缓冲区。 • 解：设用信号量S表示共享资源，S初始值为2

  31. P1 P2 P3 P(mutex) P(mutex) V(mutex) P(mutex) V(mutex) V(mutex) 互斥区 三、信号量的应用

  32. P1 P2 三、信号量的应用 • 利用信号量实现前驱关系 设置一个信号量S，其初值为0, P(S)； P2; P1； V(S); 如此即可实现先执行P1，再执行P2

  33. a b d c s1 s3 s2 s4 S1() { … v(a); } S2() { … v(b); v(c); } S3() { p(a); p(b); … v(d); } S4() { p(c); p(d); ... } 三、信号量的应用 Eg: 设S1,S2,S3,S4为一组合作进程，其前趋图如图所示，用P、V操作实现其同步。 • 利用信号量实现前驱关系（同步例子） var a,b,c,d:semaphore:=0,0,0,0; /*表示进程是否执行完*/ main() { cobegin s1(); s2(); s3(); s4(); coend }

  34. 三、信号量的应用 • 利用信号量实现前驱关系（同步例子） 思考： 已知一个求值公式（A2/3B）/（B+5A）， 若A、B已赋值，画出该公式求值过程的前趋图

  35. 三、信号量的应用 • 利用信号量实现同步 • 有A、B两进程，A进程从卡片机读信息入缓冲区，B进程负责加工读进缓冲区的卡片 • 解：设信号量S1：缓冲区中有否可供加工的信息，初始值为0；信号量S2：缓冲区是否为空，初始值为1。

  36. 三、信号量的应用 • 利用信号量实现同步举例 返回

  37. 2.4 经典进程的同步问题 在多道程序环境下，进程同步问题十分重要，出现一系列经典的进程同步问题，其中有代表性有： • 生产者—消费者问题 • 哲学家进餐问题 • 读者—写者问题 返回目录

  38. 生产者 消费者 1、“生产者—消费者”问题 单缓冲区：生产者进程P和消费者进程C共用一个缓冲区，P生产产品放入缓冲区，C从缓冲区取产品来消费。

  39. 1、“生产者—消费者”问题 • 单缓冲区的同步问题 • P进程不能往“满”的缓冲区中放产品，设置信号量为empty • C进程不能从“空”的缓冲区中取产品，设置信号量full • 单缓冲区的互斥问题 • P、C进程不能同时使用缓冲区

  40. 1、“生产者—消费者”问题 • 单缓冲区的生产者─消费者问题解 P： C： while (true) { while (true) { 生产一个产品; P(full); P(empty) ; 从缓冲区取产品; 送产品到缓冲区; V(empty); V(full); 消费产品; }; }; empty初值为1，full初值为0

  41. 生产者 消费者 C P .... n m k k个 Buffer 1、“生产者—消费者”问题 多个缓冲区：若干个生产者进程P1, P2, …, Pn，若干个消费者进程Cl，C2，…，Cm。它们通过一个有界缓冲池(k个)联系。

  42. 1、“生产者—消费者”问题 • 多缓冲区的同步互斥问题 • 同步：当缓冲池已放满了产品时(供过于求)，生产者进程必须等待；当缓冲池已空时(供不应求)，消费者进程应等待。 • 互斥：所有进程应互斥使用缓冲池这一临界资源。

  43. 1、“生产者—消费者”问题 • 多缓冲区的生产者─消费者问题解法 设置两个同步信号量及一个互斥信号量 • empty：说明空缓冲单元的数目，其初值为有界缓冲区的 大小n。 • full：说明满缓冲单元的数目（即产品数目），其初值为0。 • mutex:说明该有界缓冲区是一临界资源，必须互斥使用，其初值为1。

  44. 1、“生产者—消费者”问题 • 多缓冲区的生产者─消费者问题解法 思考：P操作的顺序可换吗？

  45. 1、“生产者—消费者”问题 • “生产者—消费者”问题的算法描述 semaphore full=0; /*表示满缓冲区的数目*/ semaphore empty=n; /*表示空缓冲区的数目*/ semaphore mutex=1; /*表示对缓冲区进程操作的互斥信号量*/ Main() { cobegin producer(); consumer(); coend }

  46. Consumer() Producer() { while(true) { p(full); P(mutex); 从缓冲区取走一个产品; V(mutex); V(empty); 消费一个产品； } } { while(true) { 生产一个产品; P(empty); P(mutex); 将一个产品送入缓冲区； V(mutex); V(full); } } 1、“生产者—消费者”问题 • “生产者—消费者”问题的算法描述

  47. “生产者-消费者”问题中应注意 1、“生产者—消费者”问题 1.互斥信号量的P,V操作在每一程序中必须成对出现. 2.资源信号量(full,empty)也必须成对出现,但可分别处于不同的程序中. 3.多个P操作顺序不能颠倒. 4.先执行资源信号量的P操作,再执行互斥信号量的P操作,否则可能引起进程死锁.

  48. 1、“生产者—消费者”问题 • “生产者-消费者”问题中应注意 5.它是一个同步问题： （1）消费者想要取产品，有界缓冲区中至少有一个单元是满的。 （2）生产者想要放产品，有界缓冲区中至少有一个是空的。 6.它是一互斥问题 有界缓冲区是临界资源，因此，各生产者进程和各消费者进程必须互斥执行。 返回

  49. 2、“哲学家进餐”问题 • 问题描述 • 5个哲学家围坐在圆桌旁，每人面前有一只空盘子，每2人之间放一只筷子，如图所示。 • 为了就餐，每个哲学家必须拿到两只筷子，并且只能直接从自己的左边或右边去取筷子。

  50. 哲学家进餐问题的解决 2、“哲学家进餐”问题 semaphore stick[5]={1,1,1,1,1}; /*分别表示5支筷子*/ Main() { cobegin philosopher(0); philosopher(1); philosopher(2); philosopher(3); philosopher(4); coend }

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