05进程与线程(3)

6
马洪兵，清华大学电子工程系
进程间通信问题概述

操作顺序冲突

3个进程get、process和print协作完成事务处 理：有6种可能的操作顺序，只有一种结果是 正确的
get
process
print
磁带
Buf1
Buf2
打印机
马洪兵，清华大学电子工程系
7
进程间通信问题概述

竞争条件(race condition)：两个或多个进程访 问某些共享资源，最终结果取决于进程运行的 精确时序
V(s) {
}
马洪兵，清华大学电子工程系
35
利用信号量实现互斥
为临界资源设置一个 互斥信号量 mutex(MUTual Exclusion)，其初值 为1 在每个进程中将临界 区代码置于P(mutex) 和V(mutex)原语之间

马洪兵，清华大学电子工程系
29
信号量
上述互斥算法都存在问题，它们是平等进 程间的一种协商机制 为此，需要一个地位高于进程的管理者来 解决公有资源的使用问题。 OS 可从进程 管理者的角度来处理互斥的问题，信号量 就是OS提供的管理共享资源的有效手段

马洪兵，清华大学电子工程系
30
信号量
信号量是1965年由荷兰学者 Dijkstra提出的，是 一种卓有成效的进程同步机制 每个信号量 s 除一个整数值 s.count( 计数 ) 外，还 有一个进程等待队列 s.queue ，队列中是阻塞在 该信号量上的各个进程的标识

避免竞争条件的关键是阻止多个进程同时访问可能 导致竞争条件的共享资源

临界资源(critical resource)：硬件或软件(如外 设、共享代码段、共享数据结构)，多个进程在 对其进行访问时(关键是进行写入或修改)，必须 互斥地进行

并非所有共享资源都是临界资源，如只读数据
马洪兵，清华大学电子工程系

马洪兵，清华大学电子工程系
33
P、V原语

P原语
--s.count; //表示申请一个资源; if (s.count <0) //表示没有空闲资源; { 调用进程进入等待队列s.queue; 阻塞调用进程; }
P(s) {
}
马洪兵，清华大学电子工程系
34
P、V原语

V原语
++s.count; //表示释放一个资源； if (s.count <= 0) //表示有进程处于阻塞状态； { 从等待队列s.queue中取出一个进程P; 进程P进入就绪队列; }
entry section critical section exit section remainder section
马洪兵，清华大学电子工程系
10
进程间通信问题概述

解决互斥问题应遵循的条件
1. 2. 3.
4.
任何两个进程不能同时处于临界区 不应对CPU的速度和数量做任何假设 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程 不得使进程无限期等待进入临界区
一方面它们相互竞争使用系统中有限的资源 另一方面它们可以相互协作以达到运行用户 作业所预期的目的


所以，必须考虑进程间通信(IPC, Inter Process Communication)问题
3
马洪兵，清华大学电子工程系
进程间通信问题概述

进程间的关系

竞争——互斥

相互不感知(完全不了解其它进程的存在) 独占分配到的部分或全部共享资源 间接感知(双方都与第三方交互，如共享资源) 等待来自其他进程的信息 直接感知(双方直接交互) 一个进程的结果依赖于从其他进程获得的信息

马洪兵，清华大学电子工程系
13
禁止中断
进入临界区前执行 “关中断”指令 离开临界区后执行 “开中断”指令 ——CPU只有在发生时钟中断或其他中 断时才会进行进程切换 优点：简单 缺点：

把禁止中断的权利交给用户进程导致系统可 靠性较差 不适用于多处理器（违反条件2）

马洪兵，清华大学电子工程系


考虑两个进程 H、 L，H的优先级高于 L，假 设调度规则规定，只要H处于就绪态它就可 以运行。若某一时刻 L 处于临界区中，此时 H变成就绪态并被调度，从而开始忙等待， 但是由于H的优先级高于L，使得L不会被调 度，也就无法离开临界区
28
马洪兵，清华大学电子工程系
第5讲 进程与线程(3)
进程间通信问题概述 互斥问题的几种算法 信号量 管程 消息传递 经典IPC问题 Windows的互斥和同步机制 POSIX的互斥和同步机制

马洪兵，清华大学电子工程系
24
硬件方法
SWAP(对换)指令

例如X86的XCHG指令
XCHG OP1, OP2
enter_region: MOV reg, 1 LOCK XCHG lock, reg CMP reg, 0 JNZ enter_region RET
——将OP1和OP2的 内容对换
leave_region: LOCK MOV lock, 0 RET

通过共享进行协作——同步


通过通信进行协作——通信


马洪兵，清华大学电子工程系
4
进程间通信问题概述

进程间通信要解决的三个问题
1.
2.
3.
一个进程如何把信息传递给另一个进程 ——高级通信问题 保证对共享资源的访问不至于引起冲突 保证正确的操作顺序 ——互斥与同步问题

互斥与同步问题对于线程同样适用
8
进程间通信问题概述

临界区(critical section)：进程中访问临界 资源的代码片断
entry section critical section exit section remainder section
马洪兵，清华大学电子工程系
9
进程间通信问题概述


进入区(entry section)：在进入临界区之前，检查可否进 入临界区的一段代码。如果可以进入临界区，通常设置 相应"正在访问临界区"标志 退出区(exit section)：用于将"正在访问临界区"标志清 除 剩余区(remainder section)：代码中的其余部分
14
锁变量

共享锁变量lock:

0：无进程在临界区(初值) 1：有进程在临界区
while(lock==1); lock=1; critical_region lock=0;
noncritical_region

存在的问题：

可能违反条件1 忙等待
15
马洪兵，清华大学电子工程系
锁变量
忙等待(busy waiting)：连续测试一个变量直到 出现某个值为止 忙等待浪费CPU时间，所以应该避免。只有等 待时间非常短的情况下才使用忙等待 用于忙等待的锁，称为自旋锁(spin lock)
21
硬件指令方法
利用处理机提供的专门的硬件指令，对一 个字的内容进行检测和修改 硬件方法的目的是解决共享变量的完整性 和正确性——其读写操作由一条指令完 成，因而保证读操作与写操作不被打断

马洪兵，清华大学电子工程系
22
硬件方法
测试并设置(Test and Set)指令

例如X86的BTS/BTR指令 BTS OP1, OP2 ——将OP1中第OP2位的值保存到标志寄存 器FLAGS的进位标志CF中，并将被测试的 位置1 BTR OP1, OP2 ——将OP1中第OP2位的值保存到进位标志 CF中，并将被测试的位清0

目的：避免竞争条件，同时保证使用临界 资源的进程能够正确和高效地进行协作
马洪兵，清华大学电子工程系
11
进程间通信问题概述

使用临界区
马洪兵，清华大学电子工程系
12
第5讲 进程与线程(3)
进程间通信问题概述 互斥问题的几种算法 信号量 管程 消息传递 经典IPC问题 Windows的互斥和同步机制 POSIX的互斥和同步机制
马洪兵，清华大学电子工程系

32
P、V原语
P、V来自荷兰语的proberen(降低)和 verhogen(升起) P操作表示申请一个资源，它使信号量之 值减1，如果信号量之值小于0，则进程被 阻塞而不能进入临界区 V操作表示释放一个资源，它使信号量之 值增1，如果信号量之值不大于0，则唤醒 一个被阻塞的进程
leave_region(0);
noncritical_region
leave_region(1);
noncritical_region
马洪兵，清华大学电子工程系
20
Peterson算法

优点：

解决了互斥访问的问题，而且克服了强制轮 转法的缺点，可以正常地工作

缺点：

忙等待
马洪兵，清华大学电子工程系
马洪兵，清华大学电子工程系
26
硬件方法

硬件指令方法的优点
适用于任意数目的进程 简单，容易验证其正确性 可以支持进程中存在多个临界区，只需为每 个临界区设立一个布尔变量


硬件方法的缺点

忙等待，耗费CPU时间
马洪兵，清华大学电子工程系
27
优先级反转问题
Peterson 算法和硬件方法都是正确的算 法，但是都具有忙等待的缺点 忙等待不但浪费CPU时间，而且可能导 致优先级反转问题(priority inversion problem)：