4.进程同步与互斥

基本概念

在多道程序共同执行的条件下，进程与进程是并发执行的，不同进程之间存在不同的相互制约关系。为了协调进程之间的相互制约关系，引入进程同步的概念。

• 进程之间存在同步与互斥的制约关系

• 对临界资源的访问，必须互斥地进行

• 同步（直接制约关系）——先后次序：为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而等待、传递消息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系就是源于它们之间的相互合作

• 互斥（间接制约关系）——锁定机制：某一资源同一时间只允许一个进程对其进行访问

• 临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源（打印机、变量、数据）

• 临界区：访问临界资源的那段代码

同步机制应遵循的准则

1. 空闲让进：临界区空闲时，应该允许一个请求进入临界区的进程立即进入
2. 忙则等待：当已经有进程进入临界区，其它试图进入的进程的必须等待
3. 有限等待：对请求访问临界区资源的进程，应保证在有限的时间内能进入自己的临界区，避免“死等”状态
4. 让权等待：当进程不能进入临界区时，应当立即释放处理机，以免进入“忙等”状态

互斥实现方法

信号量的工作原理

1. 整型信号量(不遵循让权等待原则，使进程处于忙等状态)

   wait(S){
   	while(S<=0);
   	S=S-1;
   }
   
   signal(S){
   	S=S+1;
   }
   

2. 记录型信号量

   • value>0，有多少空位
   • value==0，刚刚满
   • value<0，有多少在等待

   typedef struct{
   	int value;
   	struct process *L; //链接等待该进程的所有资源
   }semaphore;
   
   wait(semaphore S){
   	S.value--;
   	if(S.value<0)block(S.L);
   }
   
   signal(semaphore S){
   	S.value++;
   	if(S.value<=0)wakeup(S.L);
   }
   

3. AND型信号量

   • 将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配给进程，其它所有可能为之分配的资源也不分配给它。

4. 信号量集

   • 在记录型信号量机制中，wait(S)或 signal(S)操作仅能对信号量施以加 1 或减 1 操作，意味着每次只能获得或释放一个单位的临界资源。而当一次需要 N 个某类临界资源时，便要进行 N 次 wait(S)操作，显然这是低效的。此外，在有些情况下，当资源数量低于某一下限值时，便不予以分配。因而，在每次分配之前，都必须测试该资源的数量，看其是否大于其下限值。基于上述两点，可以对 AND 信号量机制加以扩充，形成一般化的“信号量集”机制。

信号量的应用

1. 信号量实现进程同步

   semaphore S=0;
   P1(){
   	P(S);
   	……
   }
   
   P2(){
   	……
   	V(S);
   }
   

2. 信号量实现进程互斥

   semaphore S=1;
   P1(){
       P(S);
       ……
       V(S);
   }
   
   P2(){
       P(S);
       ……
       V(S);
   }
   

3. 信号量实现前驱关系

   

   semaphore a=0,b=0,c=0,d=0,e=0,f=0,g=0,h=0,i=0,j=0;
   p1(){ S1; signal(a); signal(b); }
   p2(){ wait(a); S2; signal(c); signal(d); }
   p3(){ wait(b); S3; signal(e); signal(f); } 
   p4(){ wait(c); S4; signal(g); }
   p5(){ wait(d); S5; signal(h); }
   p6(){ wait(e); S6; signal(i); }
   p7(){ wait(f); S7; signal(j); }
   p8(){ wait(g); wait(h); wait(i); wait(j); S8;}
   

管程

• 一个管程定义了一个数据结构和能被并发进程执行(在该数据结构上)的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

管程由四部分组成：

1. 管程的名称

2. 局部于管程内部的共享数据结构说明

3. 对该数据结构进行操作的一组过程

4. 对局部于管程内部的共享数据设置初始值的语句