进程的同步与互斥.ppt
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1、第第第第3 3章章章章 进程管理进程管理进程管理进程管理 3.1 进程的引入进程的引入 3.2 进程的结构进程的结构 3.3 进程控制进程控制 3.4 进程的同步与互斥进程的同步与互斥 3.5 进程间通信进程间通信 3.6 进程调度进程调度 3.7 死锁死锁 3.8 线程线程5/17/20231两种制约关系两种制约关系两种制约关系两种制约关系直接相互制约关系(同步)直接相互制约关系(同步)间接相互制约关系(互斥)间接相互制约关系(互斥)产生的原因产生的原因进程合作进程合作资源共享资源共享 5/17/20232进程的同步(进程的同步(进程的同步(进程的同步(1 1)直接相互制约关系(同步)直接相
2、互制约关系(同步)指系统中一些进程需要相互合作,共同完成一指系统中一些进程需要相互合作,共同完成一项任务项任务,这种协作进程之间相互等待对方消息或信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号的协调关系称为进程同步进程同步.具体说,并发进程在具体说,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间的相互联系是有意识有意识的安排的。的安排的。产生的原因产生的原因进程合作进程合作5/17/20233进程的同步(进程的同步(进程的同步(进程的同步(2 2)一般同步问题有两类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
3、序执行保证一组合作进程按逻辑需要的执行次序执行 【例例】司机司机 P1 售票员售票员 P2 REPEAT REPEAT 启动启动 关门关门 正常运行正常运行 售票售票 到站停到站停 开门开门 UNTIL FALSE UNTIL FALSE保证共享缓冲区(共享数据)的合作进程的同步保证共享缓冲区(共享数据)的合作进程的同步 【例例】输入输入进程进程PI缓冲区缓冲区缓冲区缓冲区计算计算进程进程PC打印打印进程进程PP5/17/20234进程的互斥进程的互斥进程的互斥进程的互斥是解决进程间竞争关系是解决进程间竞争关系(间接制约关系间接制约关系)的手段。的手段。间接相互制约关系(互斥)间接相互制约关系
4、(互斥)是指若干个进程同时竞争一个是指若干个进程同时竞争一个需要互斥使用需要互斥使用的资源的资源时,任何时刻最多允许一个进程去使用,其时,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,是放。进程间要通过某种中介发生联系,是无意识无意识安安排的。排的。产生的原因产生的原因资源共享资源共享互斥是一种特殊的同步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。上的一种协调。5/17/20235临界资源临界资源临界资源临界资源 系
5、统中某些资源系统中某些资源一次只允许一一次只允许一个进程使用个进程使用,称这样的资源为临界资,称这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量。源或互斥资源或共享变量。硬件临界资源:打印机、磁带机硬件临界资源:打印机、磁带机软件临界资源:只能排它使用的变量、软件临界资源:只能排它使用的变量、表格、队列表格、队列5/17/20236临界资源实例临界资源实例临界资源实例临界资源实例二人合作存款二人合作存款 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
6、S4:M=count;S4:M=count;S5:M=M+200;S5:M=M+200;S6:count=M;S6:count=M;执行情况: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 因因count是一个互斥性使用的变量,是一个临界资源是一个互斥性使用的变量,是一个临界资源5/17/20237临界区临界区临界区临界区临界区(临界段)临界区(临界段)在进程中访问临界资源的那段
7、代码区。在进程中访问临界资源的那段代码区。例子例子5/17/20238具有临界资源的进程结构具有临界资源的进程结构 /*进入区进入区*/critical section;/*临界区临界区*/*退出区退出区*/remainder section;/*剩余区剩余区*/entry sectionexit section5/17/20239访问临界区应遵循的原则访问临界区应遵循的原则空闲让进空闲让进 当无进程在临界区时,任何有权使用临界区当无进程在临界区时,任何有权使用临界区的进程可进入。的进程可进入。忙则等待忙则等待 不允许两个以上的进程同时进入临界区。不允许两个以上的进程同时进入临界区。有限等待有
8、限等待 任何进入临界区的要求应在有限的时间内得任何进入临界区的要求应在有限的时间内得到满足。到满足。让权等待让权等待 不能进入临界区的进程应放弃占用不能进入临界区的进程应放弃占用CPUCPU。5/17/202310临界区互斥解决方法临界区互斥解决方法硬件硬件缺点:成本高缺点:成本高软件软件用编程解决用编程解决缺点:缺点:(1)(1)忙等待忙等待 (2)(2)实现过于复杂,需要高的编程技巧实现过于复杂,需要高的编程技巧信号量机制信号量机制5/17/202311信号量机制信号量机制信号量机制信号量机制一类资源一类资源抽象成抽象成S(信号量)(信号量)信号量信号量 只能由只能由P P、V V操作对其
9、进行操作的变量。操作对其进行操作的变量。信号量的使用应注意信号量的使用应注意必须置一次且只能置一次初值。必须置一次且只能置一次初值。初值只能为非负整数,实现互斥时初值为初值只能为非负整数,实现互斥时初值为1 1。只能执行只能执行P P、V V操作。操作。5/17/202312P P、V V操作操作操作操作 P(S):表示申请一个资源表示申请一个资源。V(S):表示释放一个资源。表示释放一个资源。P、V操作必须成对出现,有一个操作必须成对出现,有一个P操作就一定操作就一定有一个有一个V操作。操作。5/17/202313整型信号量整型信号量整型信号量整型信号量信信号号量量S:整整型型量量,除除初初
10、始始化化外外仅仅能能通通过过P P、V V操作访问操作访问P P和和V V操作原语定义:操作原语定义:var S:integer;S=1;var S:integer;S=1;P(S):while S 0 do no-op S=S-1;V(S):S=S+1;一类资源一类资源抽象成抽象成S(信号量)(信号量)整型量整型量5/17/202314利用整型信号量实现进程互斥利用整型信号量实现进程互斥P(S)V(S)P(S)V(S)5/17/202315记录型信号量记录型信号量记录型信号量记录型信号量记录型信号量记录型信号量信信号号量量S S:记记录录型型数数据据结结构构,一一个个分分量量为为整整型型量量
11、value,value,另另一个分量为信号量队列一个分量为信号量队列 L L;信号量的物理含义信号量的物理含义 当当S.value0:表示可用资源个数表示可用资源个数 当当S.value0:表示可用资源正好用完表示可用资源正好用完 当当S.value0:表示等待该类资源的进程数表示等待该类资源的进程数一类资源一类资源抽象成抽象成S(信号量)(信号量)value 0L=nil信号量的值信号量的值(-2)(-2)信号量队列指针信号量队列指针5/17/202316struct semaphore int value;int*L;void P(struct semaphore S);S.value=S
12、.value 1;/*把信号量减去把信号量减去1*/if S.value 0 then block(S.L);/*若信号量小于若信号量小于0,则调用,则调用P(S)的进的进 程被置成等待信号量程被置成等待信号量S的状态的状态*/物物理理意意义义:申申请请一一个个资资源源,如如果果申申请请成成功功,则则返返回回;如如果果申申请请不不成成功功,则挂在该资源的等待队列上。则挂在该资源的等待队列上。void V(struct semaphore S);S.value=S.value+1;/*把信号量加把信号量加1*/if S.value 0:表示有表示有S.value个资源可用个资源可用S.value
13、=0:表示无资源可用表示无资源可用S.value 0:则则|S.value|表示等待队列中的进程表示等待队列中的进程个数个数 信号量的初值应该大于等于信号量的初值应该大于等于05/17/202319P P、V V操作讨论操作讨论操作讨论操作讨论(2)(2)P(S):表示申请一个资源表示申请一个资源 V(S):表示释放一个资源。表示释放一个资源。P、V操作必须成对出现,有一个操作必须成对出现,有一个P操作就一定操作就一定有一个有一个V操作操作P、V操作的优点操作的优点 简单,而且表达能力强,可解决任何互斥问题简单,而且表达能力强,可解决任何互斥问题P、V操作的缺点操作的缺点 不够安全,不够安全,
14、P、V操作使用不当会出现死锁,遇操作使用不当会出现死锁,遇到复杂互斥问题时,实现复杂。到复杂互斥问题时,实现复杂。5/17/202320用用用用P P、V V操作实现互斥操作实现互斥操作实现互斥操作实现互斥信号量初值为信号量初值为1对于两个并发进程,互斥信号量的值仅取对于两个并发进程,互斥信号量的值仅取1、0和和-1三个值三个值:若若mutex.value1表示没有进程进入临界区表示没有进程进入临界区若若mutex.value0表表示示有有一一个个进进程程进进入入临临界界区区若若mutex.value-1表示一个进程进入临界表示一个进程进入临界区,另一个进程等待进入。区,另一个进程等待进入。5
15、/17/202321利用利用P、V操作实现两个进程互斥的模板如下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);临界区临界区1 V(mutex);M End Process P2:Begin M P(mutex);临界区临界区2 V(mutex);M End coend 5/17/202322使用使用使用使用PVPVPVPV操作实现互斥应注意操作实现互斥应注意操作实现互斥应注意操作实现互斥应注意识别临界资源识别临界资源是否被共享是否被共享;是
16、否有排它性使用要求。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。临界区代码应尽量短小,不能有死循环。P和和V原语应分别紧靠临界区的头尾。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。操作在同一进程中必须成对出现。5/17/202323思考题思考题思考题思考题 用记录型信号量解决二人存款问题,用用记录型信号量解决二人存款问题,用类类C语言编写进程互斥算法语言编写进程互斥算法。5/17/202324用用用用P P、V V操作实现操作实现操作实现操作实现进程的同步进程的同步进程的同步进程的同步只要信号量初值是一个大于等于只要信号量初值是一个大于等于0的整数就能的整数就
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- 关 键 词:
- 进程 同步
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