第九讲进程同步与通讯

第九讲进程同步与通讯 • 目的与要求：掌握信号量解决进程同步互斥问题的方法；掌握进程通信的基本实现方法。 • 重点与难点：信号量的典型应用，通讯实现。 • 作业：13，14，15

4.2.5 进程同步与互斥举例 • 一、有限缓冲区问题 • 问题描述：设有N个缓冲区，一组生产者进程往缓冲区写数据，一组消费者进程从缓冲区取数据，写取以一个缓冲区为单位。 • 说明： • 将缓冲池看作是共享数据，对缓冲区的 • 操作必须是互斥操作。 • 如果N个缓冲区全满，生产者进程必须 • 等待。 • 如果缓冲区全空，消费者进程必须等待。

有限缓冲区的生产者/消费者问题（生产者和消费者共享一个产品缓冲池）有限缓冲区的生产者/消费者问题（生产者和消费者共享一个产品缓冲池）生产者消费者缓冲池 P1 P2 … Pm C1 C2 …Cn 共享N个缓冲区

解：设置以下信号量 • mutex,初值为1，控制互斥访问缓冲池。 • full,初值为0，表示当前缓冲池中满缓冲区数。 • empty,初值为N，表示当前缓冲池中空缓冲区数。 • 有限缓冲区生产者/消费者进程描述如下： • item表示消息数据类型； • semaphor full,empty,mutex; • item nextp,nextc; • 置初值 • full=0; empty=N; mutex=1;

Producer（）: do{ … produce an item in nextp; ... while(empty<=0) ; empty=empty-1; P(empty); P(mutex); get a empty bufferi; bufferi =nextp; add bufferito full buffer queue; V(full); V(mutex); }while(1) full=full+1

consumer(): do{ P(full); P(mutex); get a buffer from full buffer queue; nextc=bufferi put bufferi back to empty queue; V(empty); V(mutex); while(full<=0) ; full=full-1; empty=empty+1 … consume the item in nextc; … }while(1) （两个P操作可以倒序吗？）

二、Readers/Writers问题 存在共享数据A，那些对它进行只读访问进程叫Reader；对它进行了写操作的进程叫Writer。第一类Reader/ Writer问题（并发极大化）： Reader和Writer争夺访问共享数据A时，如果已经有Reader访问A，后续Reader与后续Writer比有较高优先权。第二类Reader/ Writer问题（数据时效）： Reader和Writer争夺访问共享数据A时，Writer有较高优先权。

第一类Reader/ Writer问题描述： 1、如果当前无进程访问A，则Reader/ Writer欲访问即可访问。 2、如果已存在一个Reader正在访问数据，其它欲访问Reader可马上访问（这体现Reader有较高优先权）；而欲访问的Writer必须等待。 3、若某个Writer正访问数据，则欲访问的Reader/ Writer都必须等待。 4、当最后一个结束访问数据的Reader发现有Writer正在等待时，则将其中一个唤醒。 5、当某个Writer结束访问时，若只有Writer在等待，则唤醒某个Writer，若既有Writer也有Reader；则按FIFO或其它原则唤醒一个Writer或所有Reader。

第一类Reader/ Writer问题编程 信号量：wrt=1；（用于A的互斥访问）整型变量：readcount=0（用于reader计数）信号量：mutex=1；（用于对readcount互斥访问） Reader： P(mutex)； readcount=readcount+1; if (readcount==1) P(wrt); V(mutex)；读数据A P（mutex）； readcount=readcount-1; if (readcount==0) V(wrt); V(mutex); Writer： P（wrt）; 写数据A V（wrt）;

三、哲学家就餐问题 • 问题描述：五个哲学家五只筷子，哲学家循环做着思考和吃饭的动作，吃饭程序是：先取左边筷子，再取右边筷子，再吃饭，再放筷子。

实现：为每个筷子设一把锁（信号量，初值为1）每个哲学家是一个进程。共享数据结构为实现：为每个筷子设一把锁（信号量，初值为1）每个哲学家是一个进程。共享数据结构为 semaphore chopstick［5］；第i个进程描述为(i=0,… ,4) do{ P（chopstick［i］）； // 取左边筷子; P（chopstick［(i+1)% 5］）； // 取右边筷子; Eat； // 放左边筷子; V（chopstick［i］）； // 放右边筷子; V（chopstick［(i+1) %5］）； Think； }while(1)； (这可能导致死锁)

4.3 消息传递原理 • 两种基本进程通讯方法： • 1、共享存储（Shared-memory）：相互通讯的进程有共享存储区.进程间可以通过直接读写共享存储区的变量来交互数据，同步与互斥在并发程序设计时安排进入程序。操作系统提供这样的共享存储区及同步互斥工具。 • 2、消息传递(message-passing)：通过操作系统的相应系统调用进行消息传递通讯。

4.3.1消息传递通讯原理 • 消息传递系统调用语句的一般形式: • 发送消息：Send(destination,&message); • 接收消息：Receive(source,&message)。 • 消息传递方法 • 1、直接通讯法 • 基本思想：进程在发送和接收消息时直接指明接收者或发送者进程ID。 • 缺点：必须指定接收进程ID。（UNIX的信号机制类似这种形式）

举例：（UNIX中两进程利用信号通讯）。 Process A ┆ kill(1040, SIGUSR1); #向1040号进程发送一个SIGUSR1信号。 Process B ┆ Signal(SIGUSR1,func);#当收到SIGUSR1信号时，就执行func(),如果SIGUSR1 信号未到，则系统登记func函数，待其信号到时再调用执行。 ┆ ┆

2、间接通讯法（信箱命名法） • 基本思想：系统为每个信箱设一个消息队列，消息发送和接收都指向该消息队列。 • 特点： • 必须有一个通讯双方都知道的一个逻辑消息队列（UNIX的IPC消息传递机制属于这种形式），使用时消息发送者约定写方式打开信箱,消息接受者约定读方式打开信箱或同时读写打开。 • 很容易建立双向通讯链(只要对信箱说明为读写打开)。

4.3.2 进程消息传递通讯示例 直接通讯消息系统，两个基本操作为： send(&A)：&A指向含接收者pid和消息正文的空间。 receive(&A)：&A指向缓冲区用于接收消息，该系统调用函数返回值是消息发送者pid。实现：系统有一空闲缓冲区池，每个进程有一个消息缓冲队列。缓冲区用于存放消息及消息发送者pid和消息链(用pid定位进程PCB表)。 Sender’s pid 下一消息链消息正文消息缓冲区

每个进程的消息队列存放发送给该进程的消息，队列头存于PCB中，同时在PCB中设一互斥信号量mutex(初值为1)和信号量Sm（初值为0），Sm用于记录消息队列中的消息数。每个进程的消息队列存放发送给该进程的消息，队列头存于PCB中，同时在PCB中设一互斥信号量mutex(初值为1)和信号量Sm（初值为0），Sm用于记录消息队列中的消息数。 Receiver’s PCB message message ... Hptr Sender’s pid Sender’s pid mutex Sm text text ...

send(&A): { New(&p)；#从空缓冲区队列得一个buffer ... 置sender’s pid；将A中消息送buffer p；获得A中Receiver’s pid； P(mutex)；将buffer p挂入相应的消息队列； V(Sm)； V(mutex)； }；

receive(&A)： { P(Sm)； P(mutex)；从本进程的消息队列取一个buffer f； V(mutex)；从buffer f中取得消息正文送A,并得到 sender’s pid作为Receive( )的返回值； ... dispose(f)；#释放buffer f到空缓冲队列 … }；注:new,dispose函数对空缓冲区池的访问也需要互斥.

提高并发性：将一个共享资源分解为多个更小的共享资源提高并发性：将一个共享资源分解为多个更小的共享资源 • 将原来的生产者消费者问题的共享资源--缓冲池（含满、空缓冲区队列），变为n（n个进程满缓冲区队列）+1（空缓冲区队列）个共享资源。

4.3.3管道通信 • 通信双方按照字节流进行有序通信，如UNIX的PIPE机制。 EDCBA EDCBA

第九讲 进程同步与通讯