进程的同步与互斥.pptx

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1、12023/3/30两种制约关系两种制约关系直接相互制约关系（同步）间接相互制约关系（互斥）产生的原因进程合作资源共享 第1页/共45页22023/3/30进程的同步（进程的同步（1 1）直接相互制约关系（同步）指系统中一些进程需要相互合作，共同完成一项任务,这种协作进程之间相互等待对方消息或信号的协调关系称为进程同步.具体说，并发进程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息，进程间的相互联系是有意识的安排的。产生的原因进程合作第2页/共45页32023/3/30进程的同步（进程的同步（2 2）一般同步问题有两类保证一组合作进程按逻辑需要的执行次序执行 【例】司机 P1 售票员 P2 REPE

2、AT REPEAT 启动 关门 正常运行 售票 到站停 开门 UNTIL FALSE UNTIL FALSE保证共享缓冲区（共享数据）的合作进程的同步 【例】输入进程PI缓冲区缓冲区计算进程PC打印进程PP第3页/共45页42023/3/30进程的互斥进程的互斥是解决进程间竞争关系(间接制约关系)的手段。间接相互制约关系（互斥）是指若干个进程同时竞争一个需要互斥使用的资源时，任何时刻最多允许一个进程去使用，其他要使用该资源的进程必须等待，直到该资源被释放。进程间要通过某种中介发生联系，是无意识安排的。产生的原因资源共享互斥是一种特殊的同步逐次使用互斥资源，也是对进程使用资源次序上的一种协调。第

3、4页/共45页52023/3/30临界资源临界资源 系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量。硬件临界资源：打印机、磁带机软件临界资源：只能排它使用的变量、表格、队列第5页/共45页62023/3/30临界资源实例临界资源实例二人合作存款 count=100;count=100;P PA A S1:N=count;S1:N=count;S2:N=N+100;S2:N=N+100;S3:count=N;S3:count=N;P PB B S4:M=count;S4:M=count;S5:M=M+200;S5:M=M+200;S6:count=M;S6:co

4、unt=M;执行情况：（1）P PA A P PB B,P,PB B P PA A count=400 count=400 （2）S1S1 P PB BS2S3 count=200 count=200（3）S4S4 P PA AS5S6 count=300 count=300 因count是一个互斥性使用的变量，是一个临界资源第6页/共45页72023/3/30临界区临界区临界区（临界段）在进程中访问临界资源的那段代码区。例子第7页/共45页82023/3/30具有临界资源的进程结构 /*进入区*/critical section;/*临界区*/*退出区*/remainder section;

5、/*剩余区*/entry sectionexit section第8页/共45页92023/3/30访问临界区应遵循的原则空闲让进 当无进程在临界区时，任何有权使用临界区的进程可进入。忙则等待 不允许两个以上的进程同时进入临界区。有限等待 任何进入临界区的要求应在有限的时间内得到满足。让权等待 不能进入临界区的进程应放弃占用CPU。第9页/共45页102023/3/30临界区互斥解决方法硬件缺点：成本高软件用编程解决缺点：(1)忙等待 (2)实现过于复杂，需要高的编程技巧信号量机制第10页/共45页112023/3/30信号量机制信号量机制一类资源抽象成S（信号量）信号量 只能由P P、V V

6、操作对其进行操作的变量。信号量的使用应注意必须置一次且只能置一次初值。初值只能为非负整数，实现互斥时初值为1 1。只能执行P P、V V操作。第11页/共45页122023/3/30P P、V V操作操作 P(S)：表示申请一个资源。V(S)：表示释放一个资源。P、V操作必须成对出现，有一个P操作就一定有一个V操作。第12页/共45页132023/3/30整型信号量整型信号量信号量S：整型量，除初始化外仅能通过P、V操作访问P和V操作原语定义：var S:integer;S=1;P(S)：while S 0 do no-op S=S-1；V(S)：S=S+1；一类资源抽象成S（信号量）整型量第

7、13页/共45页142023/3/30利用整型信号量实现进程互斥P(S)V(S)P1P2互斥区互斥区P(S)V(S)第14页/共45页152023/3/30记录型信号量记录型信号量记录型信号量信号量S S：记录型数据结构,一个分量为整型量value,value,另一个分量为信号量队列 L L；信号量的物理含义 当S.value0：表示可用资源个数 当S.value0：表示可用资源正好用完 当S.value0：表示等待该类资源的进程数一类资源抽象成S（信号量）value 0L=nil信号量的值(-2)(-2)信号量队列指针第15页/共45页162023/3/30struct semaphore

8、int value;int*L;void P(struct semaphore S);S.value=S.value 1;/*把信号量减去1*/if S.value 0 then block(S.L);/*若信号量小于0，则调用P(S)的进 程被置成等待信号量S的状态*/物理意义：申请一个资源，如果申请成功，则返回；如果申请不成功，则挂在该资源的等待队列上。void V(struct semaphore S);S.value=S.value+1;/*把信号量加1*/if S.value 0:表示有S.value个资源可用S.value=0:表示无资源可用S.value 0:则|S.value|

9、表示等待队列中的进程个数 信号量的初值应该大于等于0第18页/共45页192023/3/30P P、V V操作讨论操作讨论(2)(2)P(S)：表示申请一个资源 V(S)：表示释放一个资源。P、V操作必须成对出现，有一个P操作就一定有一个V操作P、V操作的优点 简单，而且表达能力强，可解决任何互斥问题P、V操作的缺点 不够安全，P、V操作使用不当会出现死锁，遇到复杂互斥问题时，实现复杂。第19页/共45页202023/3/30用用P P、V V操作实现互斥操作实现互斥信号量初值为1对于两个并发进程，互斥信号量的值仅取1、0和-1三个值：若mutex.value1表示没有进程进入临界区若mute

10、x.value0表示有一个进程进入临界区若mutex.value-1表示一个进程进入临界区，另一个进程等待进入。第20页/共45页212023/3/30利用P、V操作实现两个进程互斥的模板如下：struct semaphore mutex;mutex.value=1;mutex.L=nil;cobegin Process P1:Begin M P(mutex);临界区1 V(mutex);M End Process P2:Begin M P(mutex);临界区2 V(mutex);M End coend 第21页/共45页222023/3/30使用使用PVPVPVPV操作实现互斥应注意操作实

11、现互斥应注意识别临界资源是否被共享;是否有排它性使用要求。临界区代码应尽量短小，不能有死循环。P和V原语应分别紧靠临界区的头尾。P、V操作在同一进程中必须成对出现。第22页/共45页232023/3/30思考题思考题 用记录型信号量解决二人存款问题，用类C语言编写进程互斥算法。第23页/共45页242023/3/30用用P P、V V操作实现操作实现进程的同步进程的同步只要信号量初值是一个大于等于0的整数就能达到同步的目的，就可以直接使用P、V操作实现同步互斥是一种特殊的同步P、V操作既可以实现互斥，也可以实现同步第24页/共45页利用信号量实现进程同步的实例利用信号量实现进程同步的实例设有三

12、个并发执行的进程P1、P2、P3，其前趋图如下，试用信号量实现这三个进程同步。设两个同步信号量S1、S2分别表示进程P2、P3能否开始执行struct semaphore S1,S2=0,0;/*初值均为0*/cobegin P1:V(S1);V(S2);P2:P(S1);P3:P(S2);coend P1P3P2第25页/共45页262023/3/30使用使用PVPVPVPV操作实现同步应注意操作实现同步应注意信号量的设置 信号量的初值 PVPV操作要成对出现，并在不同的进程中第26页/共45页272023/3/30信号量及信号量及P P、V V操作讨论操作讨论(3)(3)(1)P、V操作必

13、须成对出现，有一个P操作就一定有一 个V操作(2)当为互斥操作时，它们同处于同一进程 当为同步操作时，则不在同一进程中出现(3)如果P(S1)和P(S2)两个操作在一起，那么P操作的 顺序至关重要。一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时，同步 P操作在互斥P操作前，而两个V操作无关紧要。第27页/共45页282023/3/30PVPV操作实现互斥与同步的模板操作实现互斥与同步的模板进程互斥 S初值为1 P1 P2 P(S)P(S)临界区1 临界区2 V(S)V(S)在P1与P2中设置相同的P、V操作进程同步 S1初值为n，S2初值为0 P1 P2 P(S1)P(S2)段1 段2 V(S2)V(

14、S1)第28页/共45页292023/3/30经典的进程同步问题 生产者/消费者问题 读者/写者问题 哲学家进餐问题第29页/共45页302023/3/30生产者/消费者问题 生产者消费者问题是一种同步问题的抽象描述。计算机系统中的每个进程都可以消费（使用）或生产（释放）某类资源。这些资源可以是硬件资源，也可以是软件资源。当某一进程使用某一资源时，可以看作是消费，称该进程为消费者。而当某一进程释放某一资源时，它就相当于生产者。第30页/共45页312023/3/30生产者/消费者问题(描述)通过一个公用缓冲池可以把一群生产者p1,p2,pm，和一群消费者Q1,Q2,Qn联系起来。如图:只要缓冲

15、区未满，生产者就可以把产品送入缓冲区;只要缓冲区未空，消费者就可以从缓冲区中取走物品。第31页/共45页322023/3/30生产者/消费者问题(图示)第32页/共45页332023/3/30生产者/消费者问题(分析)为解决生产者消费者问题，应该设两个同步信号量，一个说明空缓冲区的数目，用empty表示，初值为缓冲池的大小N，另一个说明已用缓冲区的数目，用full表示，初值为。由于在此问题中有i个生产者和j个消费者，它们在执行生产活动和消费活动中要对缓冲池进行操作。由于缓冲池是一个临界资源，必须互斥使用，所以，另外还需要设置一个互斥信号量mutex，其初值为。struct semaphone

16、empty=n,full=0,mutex=1;void buffern-1;int in=,out=0;第33页/共45页342023/3/30生产者/消费者问题(解决)Consumerj:while(1)P(full);P(mutex);从Bufferout取产品;out=(out+1)mod n;V(mutex);V(empty);消费产品;coend;cobeginprocedurei:while(1)生产产品;P(empty);P(mutex);往Buffer in放产品;in=(in+1)mod n;V(mutex);V(full);第34页/共45页352023/3/30生产者生产

17、者/消费者问题消费者问题(思考思考)在生产者进程和消费者进程中，两个P操作的执行顺序是否能交换？两个V操作的执行顺序是否能交换？第35页/共45页362023/3/30思考题思考题 两个进程合作完成数据计算和打印工作，计算进程未计算完就不可打印，反之也然，双方共用一个缓冲区，写出此算法。第36页/共45页372023/3/30读者/写者问题 有两组并发进程:读者和写者,共享一个数据文件 要求：允许多个读者同时执行读操作不允许读者、写者同时操作不允许多个写者同时操作第37页/共45页382023/3/30读者/写者问题 如果读者来：1）无读者、写者，新读者可以读2）有写者等，但有其它读者正在读，

18、则新读者也可以读3）有写者写，新读者等 如果写者来：1）无读者、写者，新写者可以写2）有读者，新写者等待3）有其它写者，新写者等待第38页/共45页392023/3/30读者写者问题的解法为实现读者和写者、写者和写者之间的互斥，设置一个互斥信号量Wmutex=1由于“读读”允许，再设置一个整型变量Readcount表示正在读的进程数，初值Readcount=0由于Readcount是一个可被多个读者进程访问的临界资源，所以要为它设置一个互斥信号量Rmutex=1读者写者算法如下：读者：P(Rmutex);if readcount=0 then P(Wmutex);Readcount=Readc

19、ount+1;V(Rmutex);读 P(Rmutex);Readcount=Readcount-1;if Readcount=0 then V(Wmutex);V(Rmutex);写者：P(Wmutex);写 V(Wmutex);第39页/共45页402023/3/30哲学家就餐问题哲学家就餐问题有五个哲学家围坐在一圆桌旁，桌中央有一盘通心粉，每人面前有一只空盘子，每两人之间放一只筷子。每个哲学家的行为是思考，感到饥饿，取筷子，然后吃通心粉，放筷子，思考。为了吃通心粉，每个哲学家必须拿到两只筷子，并且每个人只能直接从自己的左边或右边去取筷子。筷子是临界资源，要用5 5个互斥信号量来表示这5

20、5只筷子。第40页/共45页412023/3/30哲学家就餐问题解哲学家就餐问题解设fork5为5 个信号量，初值均为1struct semaphore fork 4;forki:=1;Philosopheri：While(1)思考；P(forki);P(fork(i+1)mod 5)；进食；V(forki);V(fork(i+1)mod 5)；以上解法会出现死锁,为防止死锁发生可采取的措施：最多允许4 4个哲学家同时坐在桌子周围给所有哲学家编号，奇数号的哲学家必须首 先拿左边的筷子，偶数号的哲学家则反仅当一个哲学家左右两边的筷子都可用 时，才允许他拿筷子（）第41页/共45页422023/3

21、/30思考题思考题 桌子上有一只盘子，每次只能放入一只水果。爸爸专向盘中放苹果，妈妈专向盘中放桔子，一个儿子专等吃盘中的桔子，一个女儿专等吃盘中的苹果。请利用P P、V V操作写出父亲、母亲、儿子、女儿进程的同步算法。第42页/共45页432023/3/30思考题思考题分析：在本题中，应设置三个信号量s s、soso、sasa，信号量s s表示盘子是否为空，其初值为1 1；信号量soso表示盘中是否有桔子，其初值为0 0；信号量sasa表示盘中是否有苹果，其初值为0 0。同步描述如下：第43页/共45页442023/3/30 struct semaphone s=1,so=0,sa=0;cob

22、egin father();father();mother();mother();son();son();daughter();daughter();coendcoend father()father()p(s);p(s);将水果放入盘中；v(sa);v(sa);mother()mother()p(s);p(s);将水果放入盘中；v(so);v(so);son()son()p(so);p(so);从盘中取出桔子；v(s);v(s);吃桔子；daughter()daughter()p(sa);p(sa);从盘中取出苹果；v(s);v(s);吃苹果；第44页/共45页452023/3/30感谢您的观看！第45页/共45页