進(jìn)程間互斥、同步與通信

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1、第六章進(jìn)程間互斥、同步與通信授課教師：付勇智fuyongzhi@swfc.edu.cn西南林學(xué)院基礎(chǔ)部數(shù)理教研室問題綱要間接制約和直接制約是什么？什么是臨界區(qū)？什么是信號(hào)量？什么是同步、互斥？如何應(yīng)用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)同步和互斥？信號(hào)量在Windows編程中是如何實(shí)現(xiàn)的？進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行所帶來的問題由于系統(tǒng)資源的共享性，并發(fā)進(jìn)程的執(zhí)行結(jié)果失去了封閉性和可再現(xiàn)性。滿足Bernstein條件的并發(fā)進(jìn)程能夠保持封閉性，但是Bernstein條件限制太過嚴(yán)格，不符合大多數(shù)實(shí)際環(huán)境的需要。因而，OS需要尋求一種機(jī)制，滿足進(jìn)程間共享資源的需要。進(jìn)程間通信IPC在兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程間

2、傳遞信息或共享數(shù)據(jù)的機(jī)制，稱之為進(jìn)程間通信（Inter-ProcessCommunication）UNIX操作系統(tǒng)中的管道技術(shù)（Pipe）就是一種IPC在IPC的過程中，主要要解決兩類問題：互斥和同步互斥的需要voidSendPrint(){1if((in+1)%N==out)2exit(0);3else4in=(in+1)%N;5file[in]=printfile;6return;}ProcessA(){……SendPrint()}ProcessB(){……SendPrint()}臨界區(qū)（CriticalSection)臨界資源：一次僅允許一個(gè)進(jìn)程使

3、用的資源稱為臨界資源。臨界區(qū)：進(jìn)程中對(duì)于臨界資源訪問的程序段稱為臨界區(qū)。間接制約：由于共享某一公有資源而引起的在臨界區(qū)內(nèi)不允許并發(fā)進(jìn)程交叉執(zhí)行的現(xiàn)象，稱為由共享公有資源造成的并發(fā)進(jìn)程執(zhí)行速度的間接制約，簡稱間接制約?；コ猓阂唤M并發(fā)進(jìn)程中的一個(gè)或多個(gè)程序段，因共享某一公有資源而導(dǎo)致他們不能同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)稱為互斥。互斥（MutualExclusion）互斥方案應(yīng)滿足的4個(gè)條件任何兩個(gè)進(jìn)程不能同時(shí)處于臨界區(qū)不應(yīng)對(duì)CPU的數(shù)目和速度做任何假設(shè)臨界區(qū)外的進(jìn)程不得阻塞其他進(jìn)程不得使進(jìn)程在臨界區(qū)外無休止地等待互斥的實(shí)現(xiàn)方案關(guān)中斷鎖變量嚴(yán)格輪換法Peterson方案TS

4、L硬件指令（Intel平臺(tái)為BTS指令）信號(hào)量管程消息傳遞關(guān)中斷處理機(jī)的調(diào)度都是由中斷所引起的（主要是定時(shí)器中斷）如果進(jìn)入臨界區(qū)前將所有外部中斷屏蔽，則在運(yùn)行臨界區(qū)時(shí)將不會(huì)響應(yīng)所有外部中斷事件，也就不可能發(fā)生進(jìn)程切換，待進(jìn)程執(zhí)行完臨界區(qū)后再開中斷。缺點(diǎn)：交由用戶進(jìn)程管理中斷的開關(guān)是非常不安全的，一旦用戶程序關(guān)中斷后忘記打開，則整個(gè)系統(tǒng)將無法響應(yīng)外部事件而崩潰；另外，在多處理器系統(tǒng)中，關(guān)中斷也僅屏蔽本處理器的中斷響應(yīng)，對(duì)其他處理器中運(yùn)行的進(jìn)程無法屏蔽。因而通常中斷屏蔽都由OS進(jìn)行管理，由OS使用它來保證一些核心操作的不可中斷性。鎖變量intlock=0;/

5、/初始情況下沒有進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)Processi(){while(lock==1);//當(dāng)其他進(jìn)程在臨界區(qū)工作時(shí)，忙等待lock=1;//設(shè)置鎖變量，防止其他進(jìn)程進(jìn)入critical_section();//進(jìn)行臨界區(qū)相關(guān)操作lock=0;//退出臨界區(qū)后解鎖，使其他進(jìn)程可以進(jìn)入non_critical_section();}嚴(yán)格輪轉(zhuǎn)法Peterson方案TSL指令（測(cè)試與設(shè)置指令）IntelCPU中對(duì)應(yīng)的TSL指令匯編指令碼為BTS信號(hào)量(semaphore)信號(hào)量使E.W.Dijkstra在1965年提出的一種方法，他建議引入一個(gè)新的變量類型，稱作信號(hào)

6、量。信號(hào)量是一個(gè)整數(shù)，其值可以為0或某個(gè)正整數(shù)，分別表示不可進(jìn)入臨界區(qū)以及能夠進(jìn)入的進(jìn)程數(shù)目。信號(hào)量：是一個(gè)僅能由同步原語對(duì)其進(jìn)行操作的整型變量。原語（原子操作）：操作過程不可中斷，必須以一個(gè)整體進(jìn)行執(zhí)行地系統(tǒng)基本操作對(duì)于信號(hào)量操作的原語只有兩個(gè)：UP和DOWNDOWN原語（P操作）(1)若信號(hào)量S大于0，則將S減1，P操作返回，該進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行(2)若信號(hào)量S等于0，則將進(jìn)程掛入S的等待隊(duì)列，將進(jìn)程設(shè)置為阻塞狀態(tài)，并轉(zhuǎn)調(diào)度程序P原語S>0S=S-1返回調(diào)用進(jìn)程進(jìn)入等待隊(duì)列轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度是否UP原語（V操作）(1)若信號(hào)量S的等待隊(duì)列中有等待進(jìn)程，則取隊(duì)首進(jìn)程

7、，將其置為就緒狀態(tài)并返回。(2)否則信號(hào)量S加1，并放回V原語是否有等待進(jìn)程S=S+1返回取隊(duì)首進(jìn)程置為就緒態(tài)否是生產(chǎn)者－消費(fèi)者問題問題描述：兩個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)公共的固定大小的緩沖區(qū)。其中的一個(gè)，生產(chǎn)者，將信息放入緩沖區(qū)；另一個(gè)，消費(fèi)者，從緩沖區(qū)中取出信息。當(dāng)緩沖區(qū)已滿，而此時(shí)生產(chǎn)者還想向其中放入一個(gè)新的信息則讓生產(chǎn)者睡眠，待消費(fèi)者從緩沖區(qū)取走一個(gè)或多個(gè)信息時(shí)再喚醒它。當(dāng)消費(fèi)者試圖從緩沖區(qū)中取信息而發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)為空時(shí)，它就睡眠，直到生產(chǎn)者向其中放入一些消息再將其喚醒。生產(chǎn)者過程消費(fèi)者過程直接制約與同步一組在異步環(huán)境下的并發(fā)進(jìn)程，各自的執(zhí)行結(jié)果互為對(duì)方的執(zhí)行條

8、件，從而限制各進(jìn)程的執(zhí)行速度的過程稱為并發(fā)進(jìn)程間的直接制約。異步環(huán)境下的一組并發(fā)