第4章 并发控制2

4.6.2 用信号灯实现进程互斥
用两个进程共享打印机的例子 设信号灯print表示打印机，初值为1，表示打印 机可用(也可理解为有一台打印机)。 (print也是用于互斥的信号灯，教材上设 置为mutex。)
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.2 用信号灯实现进程互斥
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4.6 进程互斥和同步的实现
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.3 用信号灯实现进程同步
用信号灯及P、V操作来描述左图 1、说明进程的同步关系 进程P1、P2可并行执行，P3的执 行必须等待P1、P2都完成后才能开始 执行。 2、设置信号灯，说明含义、初值。 s13 = 0 表示进程P1尚未执行完成； s23 = 0 表示进程P2尚未执行完成；
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.4生产者－消费者问题
对于生产者进程：产生一个数据，当要送入缓冲 区时，要检查缓冲区是否已满，若未满，则可将数据 送入缓冲区，并通知消费者进程；否则，等待； 对于消费者进程：当它去取数据时，要看缓冲区中 是否有数据可取，若有则取走一个数据，并通知生产 者进程，否则，等待。 这种相互等待，并互通信息就是典型的进程同步。 同时，缓冲区是个临界资源，因此，诸进程对缓冲 区的操作程序是一个共享临界区，因此，还有个互斥 的问题。
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void barber () { while(TRUE); { p(cutomers); //若无顾客,理发师睡眠 p(mutex); //进入临界区 waiting--; //等候顾客数少一个 v(barbers); //准备好了为顾客理发 v(mutex); //开放临界区 cuting-hair( ); //正在理发……. } } void customeri() { if (waiting!=n) //人未满进入等待 { p(mutex); //进入临界区 waiting++; // 等候顾客数加1 v(customers); //来客了，唤醒理发师 v(mutex); //开放临界区 p(barbers); //无理发师, 顾客坐着养神 get-haircut( ); //顾客坐下接受理发…… } }
main() { mutex=1; //互斥信号灯 cutomers =0; //顾客数信号灯 barbers=0; //理发师数信号灯 waiting =0; //等待客人数 cobegin barber(); custumeri(); coend }
解决这个问题的步骤： (1)分析问题，弄清楚同 步关系，如上分析； (2)设置信号灯，说明含 义、初值； (3)写出程序描述。
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.3 用信号灯实现进程同步
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.4生产者－消费者问题
我们把上面的例子扩充， 假定缓冲区buffer是一个有界 缓冲区，可存放n个数据，同 时假定有n个CP进程不断地 产生数据，并送buffer；有m 个IOP进程从缓冲区中取数据 打印。
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4.5 同步机构 4.5.1 锁和上锁、开锁操作
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4.5 同步机构
4.5.1 锁和上锁、开锁操作 避免“忙等”改进的算法
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4.5 同步机构
4.5.2信号灯和P、V操作 1. 信号灯的概念
信号灯的概念是由Dijkstra提出的（1968）。 他把互斥的关键概念抽象到信号量这个概念中 ，信号量是一个被保护的变量，只有P操作、V操 作和一种称为信号量初始化操作才能访问和改变 它的值。
4.5.2信号灯和P、V操作
算法：p操作 输入：s 输出：无 { s--; //表示申请一个资源； if (s<0) //表示没有空闲资源 挂起该进程； }
注：挂起该进程包括：保留调用进程CPU现场； 置“等待”状态；入等待队列；转进程调度；
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4.5 同步机构
4.5.2信号灯和P、V操作
算法：v操作 输入：s 输出：无 { s++; //表示释放一个资源； if (s<=0) //表示有进程处于阻塞状态； 唤醒等待s的进程； } 注：唤醒等待s的进程包括：从等待s的队列取一 个（或全部）进程入就绪队列等待调度；
readeri() { p(mutex); if (count= =0) p(s); count++; v(mutex); reading(); p(mutex); count--; if (count= =0) v(s); v(mutex); }
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补充2：哲学家进餐问题 (the dining philosophers problem) 问题描述：（由Dijkstra首先提出并解决） – 5个哲学家围绕一张圆桌而坐; – 桌子上放着5支筷子，每两个哲学家之间放一支； – 哲学家的动作包括思考和进餐; – 进餐时需要同时拿起他左边和右边的两支筷子; – 思考时则同时将两支筷子放回原处; 问题：如何保证哲学家们的动作有序进行？如： – 不出现相邻者同时要求进餐； – 不出现有人永远拿不到筷子；
editeri() { p(s); writing(); v(s); }
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???
main() { int s=1; //文件锁 int mutex=1; //count访问锁 int counts=0; //读者计数器 cobegin readeri (); editeri (); coend } editeri() { p(s); writing(); v(s); }
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.3 用信号灯实现进程同步
要保证打印结果的正确， CP、IOP必须遵循以下同步规 则： (1)当CP把结果送入buffer后，IOP 才能从buffer中取，否则IOP必须 等待； (2)当IOP从buffer中取走数据后， CP才能将新产生数据送buffer，否 则也必须等待。
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哲学家的生活规律
Repeat 思考； 取fork[i];取fork[(i+1) mod 5]； 进食； 放fork[i];放fork[(i+1) mod 5]； Until false;
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为防止死锁发生可采取的措施 • 最多允许4个哲学家同时坐在桌子周围（） • 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 • 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之 • 为了避免死锁，把哲学家分为三种状态，思 考，饥饿，进食，并且一次拿到两只筷子， 否则不拿
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main() { int s1=1; //写置标 int s2=1; //读置标 cobegin readeri (); writeri (); coend }
readeri() { p(s1); reading(); v(s1); }
writeri() { p(s1); p(s2); writing(); v(s2); v(s1); }
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.4生产者－消费者问题
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.4生产者－消费者问题
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.4生产者－消费者问题
并发度降低
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补充1：读/写问题
问题描述 – 有一个许多进程共享的数据区; 有一些只读取这个 数据区的进程(reader)和一些只往数据区中写数据 的进程(writer); 此外还必须满足下列条件: • 任意多的读进程可以同时读这个数据区 • 一次只有一个写进程可以往数据区写 • 如果一个写进程正在往数据区中写, 禁止任何 读进程读数据区 要求：“读－写” 互斥；“写－写” 互斥；“读－读 ” 允许
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补充3：理发师睡觉问题
引入3个信号量和1个控制变量 1)控制变量waiting用来记录等候理发的顾客数， 初值均为0; 2)信号量customers用来记录等候理发的顾客数， 并用作阻塞理发师进程，初值为0; 3)信号量barbers用来记录正在等候顾客的理发师 数，并用作阻塞顾客进程，初值为0; 4)信号量mutex用于互斥，初值为1.
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4.5 同步机构
4.5.2信号灯和P、V操作
信号灯的定义：
信号灯是一个确定的二元组（s,q），s 是一 个具有非负初值的整型变量，q 是一个初始状 态为空的排队站。 S代表资源的实体。在实际应用中应准确地 说明s的意义和初值，每个信号灯都有一个队 列，其初始状态为空。
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4.5 同步机构
4.5.2信号灯和P、V操作
main() { int fork[5] = {1}; int room = 4; cobegin philospher(0); philospher(1); philospher(2); philospher(3); philospher(4); coend }
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补充3：理发师睡觉问题
理发店里有一位理发师、一把理发椅和n把 供顾客等候理发坐的椅子。如果没有顾客，则 理发师便在理发椅上睡觉，当一顾客来到时， 他必须先叫醒理发师，如果理发师正在理发时 又有顾客来到，则如果有空椅子可坐，他们就 坐下来等，如果没有空椅子，他就离开。用信 号灯和P、V操作写出理发师和顾客行为的程序 描述。
在操作系统中，同步有各种各样，但归纳 起来有两类：
1）诸进程合作完成某工作的逻辑顺序。 2）对系统资源的共享。如两个进程共享一 个缓冲区完成誊抄问题。
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4.6 进程互斥和同步的实现
4.6.3 用信号灯实现进程同步
（一）合作进程的执行次序 用进程流图来描述诸进程合作完成某一任务的次序， 其规则如下
94.6 ຫໍສະໝຸດ 程互斥和同步的实现4.6.1 用锁实现进程互斥
假设有两个进程共享 打印机，两个进程中使用 打印机的程序段为临界区 。 为保证打印的正确， 设置打印机的锁位print， 其初值为“0”，表示打印 机可用。