操作系统课件第三章二

2014-12-15
进程互斥
由于各进程要求共享资源，而有些资源需要互斥使用，因此各进
程间竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥。 临界资源：critical resource 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。 一个程序片段的集合，这些程序片段分散在不同的进程中，对某 个共享的数据结构（共享资源）进行操作。
内容回顾：进程的终止态（exit）
中止后进程移入该状态。
它不再有执行资格。
表格和其它信息暂时由辅助程序保留。
例子: 为处理用户帐单而累计资源使用情况的财务
程序。
当数据不再需要后，进程(和它的表格)被删除。
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内容回顾：进程的五个状态的转换
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操作系统
第三章进程管理二
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硬件教研室
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曾新
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内容回顾：程序及其顺序执行
程序：描述计算机所要完成的独立功能，在时间上严 格地按前后次序相继地进行计算机操作系列集合，是静 态的概念。 程序的执行：顺序执行和并发执行。 顺序执行环境：在计算机系统中只有一个程序在运行， 这个程序独占系统中所有资源，其执行不受外界影响。 顺序执行的特征：顺序性、封闭性、可再现性。
断进入临界区代码。）。
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信号量的使用及PV解决互斥问题
必须置一次且只能置一次初值，初值不能为负数，只能执行P、V操作。
P1
P2
P3 P(mutex)
P(mutex)
P(mutex) V(mutex)
V(mutex)
V(mutex)
互斥区 数学与计算机学院
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P(s1) ; 送产品到缓冲区; V(s2); };
P(s2);
从缓冲区取产品; V(s1); 消费产品; };
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多个缓冲区的生产者和消费者
的基本单位，主要注重进程是一个动态的执行过程。
进程创建的时刻：
提交一个批处理作业
用户登录
由OS创建，用以向一用户提供服务( 如：打印文件)
由已存在的一进程创建
一个用户程序可创建成多个进程
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内容回顾：进程的终止
批处理作业发出暂停（Halt）指令
用户退出登录
进程执行一中止服务请求 出错及失败因素
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内容回顾：顺序与并发的效率分析
并发执行：
CPU利用率=40/45=89%
DEV1并发环境下利用率=15/45=33%
DEV2并发环境下利用率=25/45=56%
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内容回顾：进程的概念及创建
进程：并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源
经典的生产者─消费者问题
生产者 消费者
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经典的生产者─消费者问题
同步问题：P进程不能往“满”的缓冲区中放产品，设置信号量为S1 Q进程不能从“空”的缓冲区中取产品，设置信号量S2 P： while (true) { Q： while (true) {
生产一个产品;
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P.V操作：V操作的解释
V(s) { s.value = s.value ++; if (s.value < = 0) { 唤醒相应等待队列s.queue中等待的一个进程改变 其状态为就绪态,并将其插入就绪队列。 } }
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原语的解释
定义如下： struc semaphore { int value; pointer_PCB queue; }
信号量说明：semaphore s;
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P.V操作：P操作的解释
P(s) { s.value = s.value --; if (s.value < 0) { 该进程状态置为等待状态 将该进程的PCB插入相应的等待队列 末尾s.queue; } }
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内容回顾：进程控制块PCB
进程控制块的概念：系统为了管理进程设置的一个专 门的数据结构，用它来记录进程的外部特征，描述进程 的运动变化过程。 系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB是系统感知 进程存在的唯一标志。 进程与PCB是一一对应的。
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内容回顾：进程的七个状态的转换
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内容回顾：新增的状态转换
阻塞 -->阻塞挂起：当所有进程都阻塞，OS会安排空 间让一就绪进程进入内存 阻塞挂起 --> 就绪挂起：当等待的事件发生时 (状态 信息已在OS中) 就绪挂起-->就绪：当内存中没有就绪进程时 就绪-->就绪挂起 (较少见)：当没有被阻塞的进程， 为了性能上的考虑，必须释放一些内存时
软件方法解决的方法： 1、忙等待。 2、实现过于复杂，需要高的编程技巧。
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进程同步机制--信号量及P.V操作
同步机制应该满足的要求： 描述能力 可以实现 效率高
使用方便
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信号量的解释：semaphore
信号量是一个数据结构
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内容回顾：PCB链表队列
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内容回顾：进程队列
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内容回顾：进程的特征
并发性：任何进程都可以同其他进程一起向前推进。 动态性：进程对应程序的执行；进程是动态产生，动态消亡的；
进程在其生命周期内，在三种基本状态之间转换。
在进程中涉及到临界资源的程序段叫临界区。
多个进程的临界区称为相关临界区。
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进程互斥的举例
程序 段 1
程序 段 2
程序 段 n
共享变 量
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互斥区的使用原则一
有空让进：当无进程在互斥区时，任何有权使用互斥区的进程
可进入。 无空等待：不允许两个以上的进程同时进入互斥区当没有进程 在临界区，而同时有多个进程要求进入临界区，只能让其中之一进 入临界区，其他进程必须等待。 有限等待：任何进入互斥区的要求应在有限的时间内得到满足。 让权等待：处于等待状态的进程应放弃占用CPU，以使其他进
中断，但成本高）；2、软件（用编程解决，但常常忙等待 ）。
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进程互斥的软件方法
通过平等协商方式实现进程互斥的最初方法是软件方法。
基本思路是在进入区检查和设置一些标志，如果已有进程在
临界区，则在进入区通过循环检查进行等待；在退出区修改标
志 。
其中的主要问题是设置什么标志和如何检查标志。
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进程同步
进程的同步：synchronism 指系统中多个进程中发生的事件存在某种时序关系，需要相互合作，共
同完成一项任务。具体说，一个进程运行到某一点时要求另一伙伴进程为它
提供消息，在未获得消息之前，该进程处于等待状态，获得消息后被唤醒进 入就绪态。
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原语：（primitive or atomic action）是由若干多机
器指令构成的完成某种特定功能的一段程序，具有不可分
割性，即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许
被中断。P.V操作就是原语操作。
实现：开关中断（为了处理临界区代码，必须关中断，
等处理完毕后，再开中断。关中断可以避免其他任务或中
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内容回顾：进程状态间的转换
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内容回顾：进程的创建态（new）
OS 已完成为创建一进程所必要的工作 已构造了进程标识符 已创建了管理进程所需的表格 但还没有允许执行该进程 (尚未同意)
因为资源有限
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内容回顾：程序的并发执行环境
并发环境：在一定时间内物理机器上有两个或两个以上
的程序同处于开始运行但尚未结束的状态，并且次序不是
事先确定的。
A
B
B
A
A
B
B
A
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内容回顾：并发执行的概念
并发执行：是为了增强计算机系统的处理能力和提高 资源利用率所采取的一种同时操作技术。 并发执行分为两种：多道程序系统的程序执行环境变 化所引起的多道程序的并发执行；某道程序的几个程序 段中（例如几个程序），包含着一部分可以同时执行或 者颠倒执行的代码。
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内容回顾：顺序与并发的效率分析
顺序环境：
A B
CPU
10
DEV1 CPU
15 20
DEV2
30
CPU
40
t(s)
DEV 1
10
CPU
20
DEV2 CPU
25 30
DEV2
40
t(s)
CPU利用率= 40/80 = 50% DEV1利用率= 15/80=18.75% DEV2利用率= 25/80=31.25%