OS进程同步与通信
信号量机制
信号量用于互斥
P(S)
临界区
V(S)
-----
P(S)
临界区
V(S)
生产者消费者：
typedef int semaphore //信号量值设置为1就是互斥量
semaphore mutex = 1; //同一时刻只有一个进程可以读写缓冲区
semaphore empty = N; //“空”的数目，缓冲区空消费者停下
semaphore full = 0; //“满”的数目，缓冲区满生产者停下
//full+empty == N
//p(empty):生产一件，empty减1，full加1，如果empty为空被阻塞
//p(full):消费一件，full减1，empty加1，如果full为空被阻塞
生产者：
while(true)
p(empty)
p(mutex)
one>>buffer
v(mutex)
v(full)
消费者：
while(true)
p(full)
p(mutex)
one<<buffer
v(mutex)
v(empty)
信号量用于同步
P(S)
代码A
------
代码B
V(S)
//代码B执行后A再执行
sem.wait()
代码A
------
代码B
sem.signal()
信号量实现线程A和B的汇合，保证a1永远在b2前，b1永远在a2前
a1
aArrive.signal
bArrive.wait
a2
---------------
b1
bArrive.signal
aArrive.wait
b2
信号量用于多路复用
semaphore multiplex = n; //使得n个线程能同时在临界区
multiplex.wait
临界区
multiplex.signal
屏障Barriers
int n; //线程数
int count = 0; //到达汇合点的线程数
semaphore mutex = 1; //保护count的访问
semaphore barrier = 0; //所有线程到达前都是0，到达后取正
p(mutex)
count = count + 1
v(mutex)
if(count == n) v(barrier) //第n个进程到来，随机唤醒一个等待进程
p(barrier) //前n-1个进程在此排队
v(barrier) //一旦线程被唤醒，有责任唤醒下一个线程
AND型信号量机制
将进程需要的所有共享资源一次全部分配给它；待该进程使用完后再一起释放
//每次申请di个资源，当资源数少于ti时不予分配
原语SP(S1,t1,d1;...;Sn,tn,dn);
if(S1>=t1 and ... and Sn>=tn)
for i := 1 to n do
Si := Si - di
endfor
else
wait in Si
原语SV(S1,d1;...;Sn,dn);
for i := 1 to n do
Si := Si + di;
wake waited process
endfor
SP(S,1,1):互斥信号量
SP(S,1,0):开关控制(S>=1时允许多进程进入临界区，S=0时禁止任何进程进入)
管程
public class ProducerConsumer{
static final int N = 100; //constant giving the buffer size
static producer p = new producer();
static consumer c = new consumer();
static our_monitor mon = new our_monitor();
public static void main(String args[]){
p.start();
c.start();
}
staic class producer extends Thread {
public void run(){
int item;
while(true){
item = produce_item();
mon.insert(item);
}
}
private int produce_item(){...}
}
static class consumer extends Thread {
public void run(){
int item;
while(true){
item = mon.remove();
consume_item (item);
}
}
private void consume_item(int item){...}
}
static class our_monitor{
private int buffer[] = new int[N];
private int count=0, lo=0, hi=0;
public synchronized void insert(int val){
if(count == N){ try{wait();} catch(...){...} }
buffer[hi] = val;
hi = (hi + 1) % N;
count ++;
if(count == 1)notify();
}
public synchronized void remove(){
int val;
if(count == 0){ try{wait();} catch(...){...} }
val = buffer[lo];
lo = (lo + 1) % N;
count --;
if(count == N-1)notify();
return val;
}
}
}
管道通信
无名管道，杀死一个叫conky的进程：
ps aux | grep conky | grep-v grep| awk '{print $2}' | xargs kill
ps aux:显示所有进程
grep conky:查找所有包含conky的进程
grep -v grep：删除上述包含grep的进程(因为上面的grep指令也是一个进程)
awk '{print $2}':取出进程信息条的第二个参数，也就是进程ID
xargs kill: kill上述ID对应的进程
经典进程同步问题
生产者-消费者
生产者消费者：
typedef int semaphore //信号量值设置为1就是互斥量
semaphore mutex = 1; //同一时刻只有一个进程可以读写缓冲区
semaphore empty = N; //“空”的数目，缓冲区空消费者停下
semaphore full = 0; //“满”的数目，缓冲区满生产者停下
//full+empty == N //p(empty):empty减1操作，如果empty为空被阻塞
生产者：
while(true)
p(empty)
p(mutex)
one>>buffer
v(mutex)
v(full)
----------
消费者：
while(true)
p(full)
p(mutex)
one<<buffer
v(mutex)
v(empty)
生产者-消费者（拓展1）
描述：银行有n个服务柜台。每个顾客进店后先取一个号并等待叫号。当一个柜台人员空闲下来时，就叫下一个号
问题：设计一个使柜台人员和顾客同步的算法
思路：
- 生产者：顾客
- 消费者：n个服务柜台
通过信号量同步
int next_cstmr = 0; //下一个要服务的客户编号
Semaphore s_mutex = 1; //服务器进程互斥访问next_cstmr
Semaphore cstmr_cnt = 0; //正在等待的客户数
process servers i //(i = 1, 2, 3 ..., n)
while(true){
p(s_mutex)
p(cstmr_cnt)
next_cstmr ++
v(s_mutex)
...
//为持有next_cstmr的客户服务
...
}
process customer i
{
v(cstmr_cnt)
}
通过变量取值同步
int cstmr_id = 0; //当前客户编号
semaphore mutex = 1; //对cstmr_id互斥访问
int next_cstmr = 0; //下一个要服务客户编号
semaphore s_mutex = 1; //服务器进程互斥访nexy_cstmr
process customer i
{
p(mutex)
cstmr_id++
v(mutex)
}
process servers i
{
while(true){
p(s_mutex)
p(mutex)
if(next_cstmr < cstmr_id)
next_cstmr ++
v(mutex)
v(s_mutex)
...
//为next_cstmr号码持有者服务
...
}
}
生产者-消费者（拓展2）
描述：一个可以装A、B两种物品的仓库,其容量无限大,但 要求仓库中A、B两种物品的数量满足下述不等式: -M ≤ A物品数量 - B物品数量 ≤N
semaphore mutex = 1;
semaphore sa = N;
semaphore sb = M;
procedure A:
while(true)
p(sa)
p(mutex)
A产品入库
v(mutex)
v(sb)
------------
procedure B:
while(true)
p(sb)
p(mutex)
B产品入库
v(mutex)
v(sa)
生产者-消费者（拓展3）
描述：系统中有多个生产者进程和消费者进程，共享用一个可以存1000个产品的缓冲区（初始为空），当缓冲区为未满时，生产者进程可以放入一件其生产的产品，否则等待；当缓冲区为未空时，消费者进程可以取走一件产品， 否则等待。要求一个消费者进程从缓冲区连续取出10件产品后，其他消费者进程才可以取产品。
buffer array [1000]; //存放产品的缓冲区
buffer nextp; //用于临时存放生产者生产的产品
buffer nextc [10]; //用于临时存放消费者取出的产品
semaphore empty = 1000; //空缓冲区的数目
semaphore full = 0; //满缓冲区的数目
semaphore mutex1 = 1; //用于生产者之间的互斥，以及生产者消费者互斥
semaphore mutex2 = 1; //用于消费者之间的互斥
int in = 0; //指示生产者的存位置
int out = 0; //指示消费者的取位置
Producer() //生产者进程
{
Produce an item put in nextp; //生产一个产品，存在临时缓冲区
P(empty); //申请一个空缓冲区
P(mutex1); //生产者申请使用缓冲区
array[in]=nextp; //将产品存入缓冲区
in = (in+1)%1000; //指针后移
V(mutex1); //生产者缓冲区使用完毕，释放互斥信号量
V(full); //增加一个满缓冲区
}
Consumer() //消费者进程
{
P(mutex2); //消费者申请使用缓冲区
for(int i = 0;i<10;i++) //一个消费者进程需从缓冲区连续取走 10 件 产品
{
P(full); //申请一个满缓冲区
P(mutex1) //互斥生产者
nextc[i] = array[out]; //将产品取出，存于临时缓冲区
out = (out+1)%1000; //指针后移
V(mutex1) //解除生产者互斥
V(empty); //增加一个空缓冲区
}
V(mutex2); //消费者缓冲区使用完毕，释放互斥信号量
Consume the items in nextc; //消费掉这10个产品
}
读写者问题(开关灯模式)
描述：对共享资源的读写操作，任一时刻“写者” 最多只允许一个，而“读者”则允许多个――“读－写”互斥，“写 - 写”互斥，“读－读”允许。第一个进屋的人开灯，最后一个离开屋的人关灯。
应用场景： 对共享数据结构、数据库、文件的多线程并发访问
问题：系统负载高的时候，写者几乎没有机会工作
int readers = 0 //临界区内读者的数目
semaphore mutex = 1 //对readers的访问保护
semaphore roomEmpty = 1 //1：临界区没有线程，0：临界区有线程
读者：
p(mutex)
readers++;
if(readers == 1) //第一个读者进房间，如果里面有写者,需等写者写完房间为空才能读
p(roomEmpty) //房间里已有读者时,就说明房间里已经没有写者,就无需等房间为空时再读
v(mutex)
read... //临界区
p(mutex)
reader--;
if(readers == 0)
v(roomEmpty)
v(mutex)
写者：
p(roomEmpty) //房间不为空,要等待
write... //临界区
v(roomEmpty) //写完后出房间了,告诉所有人房间空了
采用一般信号量机制：
RN:同时读的读者最大数目 mx：允许写，初值为1 L：允许读者数目，初值RN
writer:
SP(mx,1,1;L,RN,0)
write
SV(mx,1)
-------
Reader：
SP(L,1,1;mx,1,0)
read
SV(L,1)
闸机版的读写问题:当一个写者到达， 已进入的读者可以结束，但是新的读者无法进入
int readers = 0 //临界区内读者的数目
semaphore mutex = 1 //对readers的访问保护
semaphore roomEmpty = 1 //1：临界区没有线程，0：临界区有线程
semaphore turnstile = 1 //闸机
读者：
p(turnstile)
v(turnstile)
p(mutex)
readers++;
if(readers == 1) //第一个读者
p(roomEmpty)
v(mutex)
read... //临界区
p(mutex)
reader--;
if(readers == 0)
v(roomEmpty)
v(mutex)
----------
写者：
p(turnstile)
p(roomEmpty)
write... //临界区
v(roomEmpty)
v(turnstile)
理发师问题
描述：理发店里有一位理发师、一把理发椅和n把供等候理发的顾客坐的椅子；如果没有顾客，理发师便在理发椅上睡觉，当一个顾 客到来时，叫醒理发师；如果理发师正在理发时，又有顾客来到，则如果有空椅子可坐，就坐下来等待，否则就离开。
semaphore customers = 0; //等待理发的顾客
semaphore barbers = 0; //等待顾客的理发师
int waiting = 0; //等待的顾客数(不包含正在理发的顾客)
semaphore mutex = 1; //互斥访问waiting
//CHIRS = 10
理发师线程：
while(true){
p(customers)//顾客为0，睡觉
p(mutex)
waiting --;
v(mutex)
v(barbers) //准备好剪发
Cut hair();
}
---------------
顾客线程：
p(mutex)
if(waiting<CHIRS){ //有座位等么
waiting ++;
v(mutex) //开始排队
v(customer)
p(barbers)//等待理发师
Get_haircut()
else
v(mutex) //没座位离开
构建水分子问题
描述：一个线程提供氧原子，一个提供氢原子。为构建水分子，需要使用barrier让线程同步从而构建水分子
信号量定义：
oxygen = 0; //counter
hydrogen = 0; //counter
mutex = 1; //protect the counter
Barrier barrier(3) //3表示需要调用3次wait后barrier才开放
oxyQueue = 0; //氧气线程等待的信号量
hydroQueue = 0; //氢气线程等待的信号量
//信号量上睡眠来模拟队列
P(oxyQueue) //加入队列
V(oxyQueue) //离开队列
//氧气线程
P(mutex)
oxygen += 1
if hydrogen >= 2 //构建水分子成功
V(hydroQueue)
V(hydroQueue)
hydrogen -= 2
V(oxyQueue)
oxygen -= 1
else:
V(mutex)
P(oxyQueue)
bond() //原子组合操作
barrier.wait()
V(mutex)
//当三个线程离开barrier时候，最后那个线程拿着mutex， 虽然我们不知道那个线程hold mutext，但是我们一定要释放一次。 因为氧气只有一个线程，就放在氧气线程中做了。
//氢气线程
P(mutex)
hydrogen += 1
if hydrogen >= 2 and oxygen >=1 //构建水分子成功
V(hydroQueue)
V(hydroQueue)
hydrogen -= 2
V(oxyQueue)
oxygen -= 1
else:
V(mutex)
P(oxyQueue)
bond() //原子组合操作
barrier.wait()
吸烟者问题
描述：三个吸烟者在一间房间内，还有一个香烟供应者。为了 制造并抽掉香烟，每个吸烟者需要三样东西：烟草、纸 和火柴。供应者有丰富的货物提供。三个吸烟者中，第一个有自己的烟草，第二个有自己的纸，第三个有自己的火柴。供应者随机选择两样东西放在桌子上，允许欠缺相应两样材料一个吸烟者吸烟。当吸烟者完成吸烟后唤醒供应者，供应者再放两样东西（随机地）在桌面上，然后唤醒另一个吸烟者。如此往复。 问题的目标是当资源足够让一个或者多个应用继续，这些应用应该被唤醒。 反之，让应用继续睡眠。
isTobacco = isPaper = isMatch = False//表示材料是否在桌子上
agentSem = Semaphore (1) //表示唤醒/睡眠提供者的信号量
tobacco = Semaphore (0) //表示烟草可用
paper = Semaphore (0) //表示纸可用
match = Semaphore (0) //表示火柴可用
tobaccoSem = Semaphore (0) //用于通知拥有tobacco的吸烟者
paperSem = Semaphore (0) //用于通知拥有paper的吸烟者
matchSem = Semaphore (0) //用于通知拥有match的吸烟
//PusherA/B/C是三个帮助线程，他们响应agent的信号，记录可用材料，通知相应吸烟者
pusherA:
tobacco.wait()
mutex.wait()
if isPaper: //如果发现已经有paper(加上有tobacco)
isPaper = False //唤醒smoker with match
matchSem.signal()
else isMatch:
isMatch = False
paperSem.signal()
else
isTobacco = True //如果它是第一个醒来，就会设置isTobacco为真
mutex.signal()
---------------
Agent A://同时放了to和pa
agentSem.wait()//睡眠提供者
tobacco.signal()
paper.signal()
---------------
Smoker with match:
matchSem.wait()
makeCigarette()
agentSem.signal()//唤醒提供者
smoke()
