进程管理2--进程的同步与信号量
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进程同步
进程同步：指对多个相关进程在执行次序上进行协调；
同步的任务：使系统中各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；
系统中各进程之间在逻辑上的相互制约的关系：
直接关系—同步
间接关系—互斥
- 软件和硬件的方法；
- 信号量机制；
- 管程机制
- 两种形式的制约关系
- 临界资源、临界区
- 同步机制应遵循的规则
- 整型信号量
- 记录型信号量
- AND型信号量集、一般信号量集
- 信号量实现进程互斥
- 信号量描述进程间的前趋关系
进程同步的基本概念
1、进程之间两种形式的制约关系
系统中各进程之间在逻辑上存在着两种制约关系：
即为完成同一个任务的各进程之间，因需要协调它们的工作而相互等待、相互交换信息所产生的直接制约关系。
是进程共享独占型资源而必须互斥执行的间接制约关系。
2、临界资源、临界区
例：生产者-消费者问题
一组生产者向一组消费者提供产品，它们共享一个缓冲池，生产者向其中投放产品，消费者从中取得产品。它是许多相互合作进程的抽象，如输入进程与计算进程；计算进程与打印进程等。
设缓冲池的长度为n（n>0），一群生产者进程P1,P2,…，Pm，一群消费者进程C1,C2,…，Ck，如图所示。假定生产者和消费者是相互等效，只要缓冲池未满，生产者就可以把产品送入缓冲区，类似地，只要缓冲池未空，消费者便可以从缓冲区取走产品并消耗它。
生产者和消费者进程是以异步方式运行的，但必须保持同步关系，即禁止生产者向满的缓冲池输送产品，也禁止消费者从空的缓冲池提取产品。
int n; //n为缓冲池中缓冲区的个数； buffer:array[0..n-1] of item; //buffer为具有n个缓冲区的缓冲池； in,out:0..n-1; //in和out为指针，分别指向下一个可投放产品的缓冲区和下一个可获取产品的缓冲区 counter:0..n;
void producer() //生产者 { while(1) { …… produce an item in nextp; //生产一个产品 …… if (counter <= n) { //当生产的数目等于count的时候停止 buffer[in] = nextp; in = (in + 1) mod n; counter = counter + 1; } else { break; } } } void consumer() //消费者 { while(1) { while (counter > 0) { nextc = buffer[out]; out = (out + 1) mod n; counter = counter - 1; consume the item in nextc; //消费一个产品 } break; } }
用机器语言实现变量的加1、减1的操作为：
//变量counter加1: register1 = counter; register1 = register1 + 1; counter = register1; //变量counter减1: register2 = counter; register2 = register2-1; counter = register2;
若按另一顺序对变量进行修改，会得到什么结果？
register1 = counter; register1 = register1 + 1; register2 = counter; register2 = register2 - 1; counter = register1; counter = register2;
为了保证临界资源的正确使用，可以把一个访问临界资源的循环进程描述如下：
增加在临界区前面的一段代码，用于检查所要访问的临界资源此刻是否被访问。
增加在临界区后面的一段代码，用于将临界资源的访问标志恢复为未被访问标志。
进程中除了进入区、临界区及退出区之外的其余代码。
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）问题的几类方法：
（1）软件方法和硬件方法
（2） P-V操作
（3）管程机制
3、同步机制应遵循的规则
-
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。
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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。
-
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”。
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机制。
1、整型信号量
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（忙等），因而，未做到“让权等待”。
2、记录型信号量
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用于链接所有等待访问同一资源的等待进程
Type semaphore=record
value:integer;
L: list of process;
end
Var S: semaphore;
//调用阻塞原语将该进程状态置为 //等待状态，将该进程的PCB插入 //相应的等待队列S.L末尾; wait(S)： S.value:=S.value-1; if S.value<0 then block(S.L); //调用唤醒原语唤醒相应等待队列 //S.L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 signal(S): S.value:=S.value+1; if S.value£0 then wakeup(S.L);
在记录型信号量机制中：
S.value的初值表示系统中某类资源的数目。
S.value的初值为1，S为互斥信号量；
S.value的初值大于1，S为资源信号量；
在记录型信号量机制中
每次wait(S)操作意味着进程请求一个单位的资源，资源数目减1。当S.value<0时表示资源已分配完毕，进程调用Block()原语进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L中。此时，|S.value| 表示在该信号量链表中已阻塞进程的数目。
每次signal(S)表示执行进程释放一个单位资源，资源数目加1。若加1后仍有S.value<=0，则表示在该信号量链表中，还有等待该资源的进程，则调用Wakeup()原语，将链表中第一个进程唤醒。
AND型信号量（了解）
一般信号量集（了解）
信号量的应用
1、利用信号量实现进程互斥
利用信号量可以方便地解决临界区问题（进程互斥）（见后面的图）。为临界资源设置一互斥信号量lock，初值为1，则实现进程A、B、C互斥的描述：
2、利用信号量描述前趋关系
方法：
若图中存在结点S1指向结点S2的有向边，表示进程P1中的程序段S1应该先执行，而进程P2中的程序段S2后执行。设置一个信号量s,初值为0，将V(s)放在S1后面，而在S2前面先执行P(s)。
进程P1的语句序列为：S1;V(s)
进程P2的语句序列为：P(s);S2
例：利用信号量来描述前趋图关系
struct semaphore a,b,c,d,e,f,g,h,i,j=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 cobegin {S1;V(a);V(b);V(c);} {P(a);S2;V(d);} {P(b);S3;V(e);V(f);} {P(c);S4;V(g);} {P(d);P(e);S5;V(h);} {P(f);P(g);S6;V(i)} {P(h);P(i);S7;V(j);} {P(j);S8;} coend
