操作系统第二章进程管理 进程同步_进程同步机制的任务有哪些

2.3 进程同步

1.进程同步的基本概念
1）进程同步的主要任务：

使并发执行的诸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。

2）临界资源消费者问题：
一次仅允许一个进程使用的资源。

理解同步
互斥：在操作系统中，当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，直到占用临界资源的进程退出临界区，我们称进程之间的这种相互制约关系为“互斥”。

同步：多个相互合作的进程，在一些关键点上可能需要互相等待或互相交换信息，这种相互制约关系称为进程同步关系。可理解为“有序”。

生产者—消费者问题：
生产者和消费者都以异步方式运行，但它们之间必须保持同步：没有产品不能取，没有空间不能放。也不能同时对一个空间进行取和放。

3）临界区
每个进程中访问临界资源的那段代码叫临界区。为了正确同步，对临界区的代码要增加控制。
进入区：对欲访问的临界资源进行检。若此刻未被访问，设正在访问的标志。

临界区：访问临界资源的代码。

退出区：将正在访问的标志恢复为未被访问的标志

剩余区：其余部分

4）同步机制应遵循的规则

实现互斥的方法应符合如下每条原则

空闲让进：资源使用最基本原则

忙则等待：保证互斥

有限等待：合适时被唤醒防止死等

让权等待：能主动释放CPU防止忙等

同步控制的关键，不能被打断

早期实现互斥包括软件方法，硬件方法
完全利用软件方法，有很大局限性，也不适于多进程，现在已很少采用。

硬件指令机械操作可保证锁开、关操作不被打断；适用于任意数目的进程。但等待要耗费CPU时间，不能实现“让权等待”，从等待进程中随机选择一个进入临界区，有的进程可能一直选不上，难以实现较为复杂的进程同步问题。
2.信号量机制——荷兰科学家狄克斯特拉提出的一种卓有成效的进程同步机制
1）整型信号量
信号量定义为一个整型量；根据初始情况赋相应的值；仅能通过两个原子操作来访问。

P操作 wait(S):
While S<=0 do no-op;
S:=S-1;
V操作 signal(S)：
S:=S+1;

例如对临界资源的互斥使用
给共享位置R设置一个信号量S
程序1： wait（s） 使用R singal（S）
程序2： wait（s） 使用R singal（S）
经以上可以实现对R的互斥使用

2）记录型信号量
产生原因：
整型信号量符合“有限等待”原则，signal释放资源后，当CPU被分配给等待进程后，等待进程仍可继续执行，可以符合“有限等待”。但整型信号量不符合“让权等待”原则，整型信号量的wait操作，当s ≤0时，当前进程会占着CPU不断测试；信号量原语不能被打断，这个占有CPU的进程会一直不断的占据CPU循环下去，陷入忙等。
信号量结构信息发生变化：不仅要有值的处理，还有队列的处理。
此时形成记录型数据结构，包括两部分——整型变量value(代表资源数目)，进程链表L(链接所有等待进程)。
代码描述：

type  Semaphore=record
	value：integer;
L：list  of  PCB;
end;
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操作：S.Value，S.L
Value>0，表示当前可用资源的数量；
Value≤0，其绝对值表示等待使用该资源的进程数，即在该信号量队列上排队的PCB的个数。
P操作

  wait():
 S.value = S.value - 1;
        if S.value < 0  
          then  block(S,L)；
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V操作

signal()：
 S.value = S.value + 1;
        if  S.value <= 0 then 
          wakeup(S,L)；
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注：定义信号量semaphore代表可用资源实体的数量，当≥0，代表可供并发进程使用的资源实体数；当<0，表示正在等待使用该资源的进程数。
建立一个信号量必须经过说明，包括
信号量所代表的意义，赋初值，建立相应的数据结构，以便指向等待使用临界区的进程。
除初值外，信号量的值仅能由标准原子操作P、V操作来改变。

3）信号量的基本应用
实现进程互斥，实现进程间的前驱关系（有序）
互斥信号量注意点：
互斥信号量mutex初值为1；
每个进程中将临界区代码置于P(mutex)和V(mutex)原语之间
必须成对使用P和V原语（在同一进程中），不能次序错误、重复或遗漏：
遗漏P原语则不能保证互斥访问
遗漏V原语则不能在使用临界资源之后将其释放（给其他等待的进程）。
实现有序
前趋关系：
并发执行的进程P1和P2中，分别有代码C1和C2，要求C1要在C2开始前完成；
为每对前趋关系设置一个同步信号量S，并赋初值为0。则只有V操作所在进程获得cpu时能运行
P1 ： C1 ；signal(S)；
P2 ： wait(S)；C2 ；
控制同步顺序的注意点
信号量值为0的点是限制的关键所在；
成对使用P和V原语（在有先后关系的两个进程中），不能次序错误、重复或遗漏，否则同步顺序出错。

练习：
1）如何利用互斥信号量解决两个加法进程对共享变量操作的问题？
A： R1=x；
R1=R1+1；
x=R1

B： R2=x；
R2=R2+1；
x=R2

Var  mutex: semaphore  :=1;
x: integer;
process A: 
      begin  
       repeat 
      P(mutex);
      R1=x;
      R1=R1+1;
      x=R1;
     V(mutex);
     until false;
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2）民航售票系统问题
n个售票处。每个售票处通过终端访问系统的公用数据区

假定公用数据区中分别用Ri表示某时间i次航班的现存票数。

Pi表示某售票处的处理进程，试用信号量实现进程间的互斥关系。

Var  s: semaphore  :=1;      
 begin
  parbegin            
process Pi: begin
repeat 
P(s); 
按旅客定票要求找到Ri
IF Ri >=1 then  
 Ri = Ri -1;
输出一张票；
End if
V(s);
输出“票已售完”；
until false;
	end
  parend      end
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3）AND型信号量
出现原因：一些应用往往需要两个或多个共享资源，而不是前述的一个资源。进程同时要求的共享资源越多，发生死锁可能性越大。
解决思想：
一次性分配给进程所需资源，用完一起释放。Wait操作时对它所有需要的资源都要判断，有AND条件，故称“AND同步”、“同时wait”。

Swait(S1, S2, …, Sn)   
 if （S1 >=1 and … and Sn>=1 ）then   
 for i:=1 to n 
   do
  Si:= Si -1 ;
        endfor
else
       将进程阻塞在第一个不能满足资源信号量的队列中。 
end if
Ssignal(S1, S2, …, Sn)    
for i:=1 to n do       
Si:= Si +1 ;       
唤醒所以与si相关的阻塞进程    
endfor 
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信号量集的一个特例
只有一个信号量S的几种特殊情况：
Swait(S, d, d)，允许每次申请d个资源，若现有资源数少于d，不予分配。
Swait(S, 1, 1)，蜕化为一般的记录型信号量，一次申请一个，至多分配一个(S>1时可计数，或S=1时可控制互斥)。
Swait(S, 1, 0)，当S>=1时，允许多个进程进入某特定区，当S变为0后，阻止任何进程进入特定区，相当于可控开关。并不对S资源的数量产生影响。

信号量题目做题一般方法：
1.分析问题，找出同步、互斥关系
2.根据资源设置信号量变量
3.写出代码过程，并注意P、V操作的位置
4.检查代码，模拟机器运行，体验信号量的变化和程序运行过程是否正确。