第二章-进程同步与互斥

进程同步与互斥

什么是进程同步：

同步即为直接制约关系，指的是为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些要在某个位置上协调他们的工作次序而产生的制约关系。进程间的直接制约关系来源于它们之间的相互合作。

什么是进程互斥

对临界资源的访问，需要互斥的进行。即为同一时间段只能允许一个进程访问该资源；间接制约关系

四个部分

• 进入区：检查是否可以进入临界区，若可以进入，需要“上锁”
• 临界区：访问临界资源的那段代码
• 退出区：负责“解锁“
• 剩余区：其余代码部分

需要遵守的原则

• 空闲上进
• 忙则等待
• 有限等待
• 让权等待

进程互斥的软件实现方法

• 单标志法

  • 在进入区只做：检查，不上锁
  • 在退出区把临界区的使用权转交给另一个程序
    （相当于在退出区既给另一进程“解锁”，又给自己 上锁；）
  • 主要问题：不遵守“空闲让进”原则

• 双标志先检查法

  • 在进入区先”检查“后”上锁“，退出区”解锁“
  • 主要问题：不遵守：忙则等待“原则

• 双标志后检查法

  • 在进入区先”加锁“后”检查“，退出区”解锁“
  • 主要问题：不遵循：空闲让进、有限等待“原则，可能导致”饥饿“

• Peterson

  • 在进入区“主动争取-主动谦让-检查对方是否想进入、乙方是否谦让“
  • 主要问题：不遵循“让权等待”原则，会发生“忙等”

进程互斥的硬件实现方法

中断屏蔽方法

• 利用开/关中断指令 实现
• 优点：简单、高效
  缺点：不适用于多处理机；只是用操作系统内核进程，不适用于用户进程（因为开/关中断指令只能运行在内核态，这组指令如果能让用户随意使用很危险）

1 TestAndSet指令（简称：TS、TSL指令）

• TSL指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。

• 

• 不满足让权等待原则

2 Swap指令（EXchange指令）简称XCHG指令

• 用硬件实现，执行不允许被打断，只能一气呵成。

• 实现：

• 优缺点：

进程的互斥之 锁

1 互斥锁

• 解决临界区最简单的工具
• 每个互斥锁有一个布尔变量available，表示锁是否可用-调用acquire()会成功，且锁不再可用；当程序试图获取不可用的锁时会被阻塞，直到锁被释放；
• acquire() 、release()的执行必须是原子操作
• 互斥锁的主要缺点是忙等待；
  需要连续忙等待的锁可称为“自旋锁（spin lock）“ 如：TSL指令、swap指令、单标志法
• 特性：

信号量机制

整型信号量

记录型信号量

• 

用信号量机制实现同步互斥

• 实现进程互斥

  • 

• 实现进程同步

  • 

  • 例题：

• 实现进程的前驱关系

生产者-消费者问题

系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。

生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。

只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。
只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待。
缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问

如何实现

• 

• 若改变相邻P、V操作顺序会怎么样

  • 

P、V操作解题思路

• 

• 

多生产者 多消费者问题

• 例题：桌子上有一只盘子，每次只能向其中放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，儿子专等着吃盘子中的橘子，女儿专等着吃盘子中的苹果。只有盘子空时，爸爸或妈妈才可向盘子中放一个水果。仅当盘子中有自己需要的水果时，儿子或女儿可以从盘子中取出水果。

• 

• 

吸烟者问题

假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者不停地卷烟并抽掉它，但是要卷

起并抽掉一支烟，抽烟者需要有三种材料：烟草、纸和胶水。三个抽烟者中，第一个拥有烟草、
第二个拥有纸、第三个拥有胶水。供应者进程无限地提供三种材料，供应者每次将两种材料放桌
子上，拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它，并给供应者进程一个信号告诉完成了，供
应者就会放另外两种材料再桌上，这个过程一直重复（让三个抽烟者轮流地抽烟）

本质上这题也属于“生产者-消费者”问题，更详细的说应该是“可生产多种产品的单生产者-多消费者”

实现：

读者写者问题

有读者和写者两组并发进程，共享一个文件，当两个或两个以上的读进程同时访问共享数据时不会产生副作用，但若某个写进程和其他进程（读进程或写进程）同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。

因此要求：
①允许多个读者可以同时对文件执行读操作；
②只允许一个写者往文件中写信息；
③任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作；
④写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。

分析：

两类进程：写进程、读进程
互斥关系：写进程—写进程、写进程—读进程。读进程与读进程不存在互斥问题。

实现：

哲学家进餐问题

一张圆桌上坐着5名哲学家，每两个哲学家之间的桌上摆一根筷子，桌子的中间是一碗米饭。哲学

家们倾注毕生的精力用于思考和进餐，哲学家在思考时，并不影响他人。只有当哲学家饥饿时，
才试图拿起左、右两根筷子（一根一根地拿起）。如果筷子已在他人手上，则需等待。饥饿的哲
学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐，当进餐完毕后，放下筷子继续思考。

分析：

如何解决死锁问题

• ①可以对哲学家进程施加一些限制条件，比如最多允许四个哲学家同时进餐。这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的
• ②要求奇数号哲学家先拿左边的筷子，然后再拿右边的筷子，而偶数号哲学家刚好相反。用这种方法可以保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭，那么只会有其中一个可以拿起第一只筷子，另一个会直接阻塞。这就避免了占有一支后再等待另一只的情况。
• ③仅当一个哲学家左右两支筷子都可用时才允许他抓起筷子。

管程

为什么要引入管程？

• 1 信号量机制的问题：编写程序困难、易出错
• 是否可以设计一种机制，让程序员写程序时不需要再关注复杂的PV操作，让编写代码更轻松？
• 1973年，Brinch Hansen 首次在程序设计语言 (Pascal)
  中引入了“管程”成分——一种高级同步机制

管程定义和基本特征

• 管程是一种特殊的软件模块，有以下部分组成

• 1 局部于管程的共享数据结构说明；
• 2 对该数据结构进行操作的一组过程‘
• 3 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句；
• 4 管程有一个名字；

• 基本特征

  • 1 局部于管程的数据只能被局部于管程的过程所访问
  • 2 一个进程只有通过调用管程的过程才能进入管程访问共享数据；
  • 3 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程；

例子：用管程解决生产者消费者问题

• 引入管程的目的无非就是要更方便地实现进程互斥和同步。

1. 需要在管程中定义共享数据（如生产者消费者问题的缓冲区）
2. 需要在管程中定义用于访问这些共享数据的“入口”——其实就是一些函数（如生产者消费者 问题中，可以定义一个函数用于将产品放入缓冲区，再定义一个函数用于从缓冲区取出产品）
3. 只有通过这些特定的“入口”才能访问共享数据
4. 管程中有很多“入口”，但是每次只能开放其中一个“入口”，并且只能让一个进程或线程进 入（如生产者消费者问题中，各进程需要互斥地访问共享缓冲区。管程的这种特性即可保证一
   个时间段内最多只会有一个进程在访问缓冲区。注意：这种互斥特性是由编译器负责实现的， 程序员不用关心）
5. 可在管程中设置条件变量及等待/唤醒操作以解决同步问题。可以让一个进程或线程在条件变量 上等待（此时，该进程应先释放管程的使用权，也就是让出“入口”）；可以通过唤醒操作将 等待在条件变量上的进程或线程唤醒。
   程序员可以用某种特殊的语法定义一个管程（比如: monitor ProducerConsumer …… end monitor;），
   之后其他程序员就可以使用这个管程提供的特定“入口”很方便地使用实现进程同步/互斥了。

• Java 中类似于管程的机制

- Java 中，如果用关键字 synchronized 来描述一个函数，那么这个函数同一时间段内只能被一个线程调用

总结