進(jìn)程同步與互斥

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1、計(jì)科系姜云杰1進(jìn)程的互斥——你要，我也要多道程序設(shè)計(jì)帶來(lái)的問題：并發(fā)執(zhí)行的多個(gè)進(jìn)程可能產(chǎn)生互斥或同步的相互制約關(guān)系，不采取措施，可能導(dǎo)致結(jié)果的不可再現(xiàn)性。影響系統(tǒng)效率，而且還可以導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為此，現(xiàn)代操作系統(tǒng)都在內(nèi)核中設(shè)有進(jìn)程的互斥同步機(jī)制，以控制并發(fā)執(zhí)行的諸進(jìn)程能有效的共享資源和相互合作，同時(shí)使并發(fā)程序的執(zhí)行仍具有可再現(xiàn)性。計(jì)科系姜云杰2一、互斥的定義所謂進(jìn)程互斥，指的是對(duì)某個(gè)系統(tǒng)資源，一個(gè)進(jìn)程正在使用它，另外一個(gè)想用它的進(jìn)程就必須等待，而不能同時(shí)使用。進(jìn)程互斥是多道程序系統(tǒng)中進(jìn)程間存在的一種源于資源共享的制約關(guān)系，也稱間接制約關(guān)系，主要是由被共享資源的使用性質(zhì)所決定的。計(jì)科系

2、姜云杰3這種限定進(jìn)程只能互斥地訪問它的資源叫臨界資源（指一次僅允許一個(gè)進(jìn)程使用的資源）。臨界資源限定了使用者只能互斥地使用它。操作系統(tǒng)也不能中途從搶先者手中把臨界資源搶來(lái)給其他進(jìn)程用。因此，臨界資源也是不可剝奪性資源。例：打印機(jī)、共享變量等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中可剝奪性使用的資源主要有CPU、內(nèi)存和磁盤等。計(jì)科系姜云杰45臨界區(qū)：進(jìn)程中訪問臨界資源的那段程序代碼稱為臨界區(qū)或臨界段。使用同一臨界資源的不同進(jìn)程中的臨界區(qū)稱為同類臨界區(qū)或相關(guān)臨界區(qū)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的互斥訪問，應(yīng)保證諸進(jìn)程互斥地進(jìn)入各自的臨界區(qū)。但無(wú)論采用何種方法，都應(yīng)遵循臨界區(qū)的使用原則，即“空則讓進(jìn)，忙則等待，等則有限，等則

3、讓權(quán)”。6二、上鎖和開鎖原語(yǔ)現(xiàn)代操作系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥、同步的工具有多種，如上鎖與開鎖原語(yǔ)、信號(hào)燈機(jī)制、管程機(jī)制等。上鎖與開鎖是一種最簡(jiǎn)單的進(jìn)程互斥方法，它使用一個(gè)鎖變量W來(lái)表示某種臨界資源的狀態(tài)，W=0表示資源空閑可用W=1表示資源正被使用71．上鎖原語(yǔ)：LOCK（W）L1：如果W=1那么轉(zhuǎn)向L1;否則W=1返回voidlock(鎖變量w){test:if(w為1)gototestelsew=1;/*上鎖*/}/*lock(w)*/1.考察鎖位的值；2.如果原來(lái)的值為0，將鎖位置1；3.如果為1，則返回第一步再次考察82．開鎖原語(yǔ)：UNLOCK（W）W=0;返回voidunl

4、ock(鎖變量w){w=0;/*開鎖*/}/*unlock(w)*/當(dāng)進(jìn)程使用完資源后，它必須將鎖位置成“0”，稱為開鎖操作。9三、用上鎖和開鎖原語(yǔ)可以解決并發(fā)進(jìn)程的互斥任何欲進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程，必須先執(zhí)行上鎖原語(yǔ)。若上鎖原語(yǔ)順利通過，則進(jìn)程可進(jìn)入臨界區(qū)；當(dāng)完成對(duì)臨界區(qū)資源的訪問后再執(zhí)行開鎖原語(yǔ)，以釋放該臨界資源。即在相關(guān)進(jìn)程的程序里由上鎖和開鎖原語(yǔ)緊夾著臨界區(qū)，就能保證這些進(jìn)程互斥地進(jìn)入各自的臨界區(qū)。10例如，甲、乙兩進(jìn)程要訪問同一類臨界資源甲進(jìn)程：其他代碼；LOCK（W）；甲進(jìn)程的臨界區(qū)；UNLOCK（W）；其他代碼；乙進(jìn)程：其他代碼；LOCK（W）；乙進(jìn)程的臨界區(qū)；UNLOCK

5、（W）；其他代碼；用上鎖用上鎖原語(yǔ)和開鎖原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥的確很簡(jiǎn)單，但處理機(jī)效率不高，因?yàn)樯湘i原語(yǔ)中的條件測(cè)試操作可能引起CPU“忙等”。11信號(hào)量機(jī)制荷蘭著名科學(xué)家，后來(lái)的計(jì)算機(jī)圖靈獎(jiǎng)獲得者，E.W.Dijkstra于1965年提出了用作進(jìn)程同步工具的信號(hào)量（semaphore）機(jī)制，這是一種卓有成效的進(jìn)程互斥同步工具，已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。計(jì)科系姜云杰12進(jìn)程的同步(synchronism)：——你等我，我也等你多道程序系統(tǒng)中，許多進(jìn)程之間可能存在以下兩種制約關(guān)系：1.源于資源共享的間接制約關(guān)系（互斥）2.源于合作相互的直接制約關(guān)系（同步）后者即一種合作進(jìn)程在獨(dú)自

6、并發(fā)執(zhí)行過程中的某些確定的時(shí)序點(diǎn)上“你等我，我也等你”的同步約束，前者可視為后者的特例（前面已經(jīng)介紹）。計(jì)科系姜云杰131.資源共享關(guān)系很多進(jìn)程之間彼此無(wú)關(guān)，它們并不知道其它進(jìn)程的存在。例如在分時(shí)系統(tǒng)中，系統(tǒng)分別為每個(gè)用戶（終端）建立一個(gè)進(jìn)程。但這些進(jìn)程既然同處于一個(gè)系統(tǒng)中，也就必然存在著資源共享的關(guān)系，如共享CPU和I/O設(shè)備等。此時(shí)，進(jìn)程的主要任務(wù)，是保證各個(gè)進(jìn)程能互斥地訪問臨界資源。所以，系統(tǒng)中的資源應(yīng)該不允許用戶進(jìn)程直接使用，而應(yīng)該由系統(tǒng)同一分配。例如：在僅有一臺(tái)打印機(jī)的系統(tǒng)中，兩個(gè)進(jìn)程提出打印請(qǐng)求2.相互合作關(guān)系例如輸入進(jìn)程、計(jì)算進(jìn)程、打印進(jìn)程合作完成一批數(shù)據(jù)的輸入、計(jì)算

7、和打印時(shí)的關(guān)系；中斷響應(yīng)過程；生活中下棋、看病時(shí)等化驗(yàn)結(jié)果等等。計(jì)科系姜云杰14一、同步的定義進(jìn)程同步：指的是兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程為了合作完成同一個(gè)任務(wù)，在執(zhí)行速度或某些個(gè)確定的時(shí)序點(diǎn)上必須相互協(xié)調(diào)，即一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行依賴于另一個(gè)進(jìn)程——其合作伙伴的消息，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程到達(dá)了某一確定點(diǎn)而沒有得到合作伙伴發(fā)來(lái)的“已完成某些操作”的消息時(shí)必須等待，直到該消息到達(dá)被喚醒后，才能繼續(xù)向前推進(jìn)。進(jìn)程同步是多道程序系統(tǒng)中進(jìn)程之間存在的一種主要源于進(jìn)程間合作的制約關(guān)系，也稱直接制約關(guān)系。計(jì)科系