进程互斥、同步、通信、死锁(2)
操作系统第6章 进程互斥与同步
Co-begin void Producer_i( ) (i=1,2…k) { item next_p; while(1){ produce an item in next_p P(empty); P(s); add next_p to buffer V(s); V(full); } } void consumer_j( ) (j=1,2…m) { item next_c; while(1){ P(full); P(s); remove an item from buffer to next_c V(s); V(empty); consume the item in next_c}} Co-end
• 进入临界段之前要申请，获得批准方可进入； • 退出临界段之后要声明，以便其他进程进入。
用程序描述： While(1){ entry_section; critical_section; exit_section; remainder_section; }
解决临界段问题的软件算法必须遵循：
准则1:不能虚设硬件指令或假设处理机数目。 准则2:不能假设n个进程的相对速度。 准则3:当一个进程未处于其临界段时，不应阻止 其他进程进入临界段。 准则4:当若干进程欲进入临界段时，应在有限时 间内选出一个进程进入其临界段。 用准则3，4不难推出下面原则 协调各进程入临界段的调度原则： • 当无进程处于临界段时，允许一个进程立即进入临界段。
3.实现临界段的硬件方法
利用处理机提供的特殊指令实现临界区加锁。 常见硬件指令有: ⑴ “Test_and_Set”指令 该指令功能描述为： int *target ( 限定为0,1） int Test_and_Set (int *target) { int temp; temp = *target ； *target = 1; return temp; }
第4章 进程的同步与互斥
mxh
同步
生产者活动：
Repeat 加工一件物品
消费者活动：
Repeat wait(full)
wait（empty）
物品放入箱中 signal(full)
箱中取一物品
signal(empty) 消耗这件物品
Until false
Until false
mxh
互斥
生产者活动：
Repeat
认为缓冲区同一时刻只有一个人可
mxh
4.1 进程的同步和互斥
信号量定义(记录型信号量)
semaphore是一个结构体： typedef struct {
int value;
//资源的个数
//进程链表
struct process *L;
} semaphore;
mxh
4.1 进程的同步和互斥 申请一个
• 信号量操作wait现在可按如 下来定义： void wait (semaphore S) { S.value - -; if (S.value <0) { add this process to S.L; block(); } }
mxh
4.1 进程的同步和互斥
• 信号量的应用
–合作进程的执行次序 –共享缓冲区的进程的同步
mxh
4.1 进程的同步和互斥
• 合作进程的执行次序：
–保证一组合作进程按照逻辑需要所确定 的次序进行。
mxh
4.1 进程的同步和互斥
• 合作进程的执行次序
–可以用一个图来表示进程集合的执行次 序。图的连接描述了进程开始和结束的 次序约束，此图称为进程流图. –例如P78，图4-2。 –使用信号量机制实现图4-2的同步。（练 习）
同步机制和互斥机制
同步机制和互斥机制同步机制和互斥机制是操作系统中的两种重要的并发控制手段，用于协调多个线程或进程之间对共享资源的访问。
同步机制是指在多个线程或进程之间保证执行次序的一种机制。
在并发环境中，多个线程或进程可能会同时访问共享资源，如果没有合适的同步机制，就会导致数据不一致或产生其他不可预期的错误。
同步机制可以让多个线程或进程按照一定的次序来对共享资源进行访问，从而避免数据竞争、死锁等问题。
互斥机制是同步机制的一种常用实现方式，它通过互斥锁来实现对共享资源的互斥访问。
当一个线程或进程获得了互斥锁后，其他线程或进程就无法获得该锁，只能等待锁被释放。
互斥锁可以确保同一时间内只有一个线程或进程能够访问共享资源，从而保证数据的一致性和正确性。
常见的互斥锁包括互斥量、信号量和临界区等。
在实际应用中，同步机制和互斥机制通常是配合使用的。
同步机制用于确定多个线程或进程之间的执行次序，而互斥机制则用于保证共享资源的互斥访问。
通过合理地运用同步机制和互斥机制，可以避免竞态条件（Race Condition）和争用（Contention）等并发问题。
同步机制和互斥机制的主要目的是保证共享资源的一致性和正确性。
共享资源是指多个线程或进程之间需要共同访问和操作的资源，例如共享内存、文件、网络连接等。
在多线程或多进程的环境中，由于并发访问共享资源的存在，可能会导致共享资源的数据不一致或操作的结果不正确。
同步机制和互斥机制的作用就是通过合理地调度和控制多个线程或进程对共享资源的访问，以确保共享资源的一致性和正确性。
同步机制和互斥机制的实现有很多种方式，常见的有互斥锁、条件变量、信号量、事件等。
互斥锁是最常用的一种同步机制，它可以确保同一时间只有一个线程或进程能够访问共享资源。
条件变量是一种通信机制，通过等待和通知的方式协调多个线程或进程的执行次序。
信号量是一种用于控制并发访问的计数器，通过对计数器的操作来实现多个线程或进程的同步。
进程同步与互斥 总结
进程同步与互斥总结
进程同步和互斥是操作系统中非常重要的概念，它们都是为了保证多个进程能够在正确的时间顺序和正确的方式下运行。
进程同步是指多个进程之间协调执行的过程，而互斥是指多个进程之间竞争有限资源的过程。
以下是关于进程同步与互斥的一些总结：
1. 进程同步方式：
- 信号量：通过对共享资源的访问进行限制，实现多个进程之间的同步。
- 互斥锁：通过对共享资源的访问进行互斥，实现多个进程之间的同步。
- 条件变量：通过对进程状态的检查，实现多个进程之间的同步。
2. 进程互斥方式：
- 临界区：多个进程同时访问共享资源时，只允许一个进程访问。
- 互斥量：多个进程同时访问共享资源时，通过加锁和解锁来实现互斥。
- 读写锁：多个进程同时访问共享资源时，允许多个进程同时读取，但只允许一个进程写入。
3. 进程同步与互斥的优缺点：
- 信号量：优点是可以同时处理多个进程，缺点是容易出现死锁。
- 互斥锁：优点是简单易用，缺点是只能处理两个进程之间的同步。
- 条件变量：优点是可以检查进程状态，缺点是只能处理两个进
程之间的同步。
- 临界区：优点是简单易用，缺点是只能处理两个进程之间的同步。
- 互斥量：优点是可以同时处理多个进程，缺点是容易出现死锁。
- 读写锁：优点是可以允许多个进程同时读取，缺点是会出现写入延迟的问题。
综上所述，进程同步与互斥是操作系统中非常重要的概念，需要根据具体的场景选择适合的同步方式或互斥方式来保证多个进程之
间的协调执行和有限资源的竞争。
什么叫进程
10、一进程入睡时其断点落在何处？
一进程被唤醒后从何处继续原来的执
行？
一个进程入睡是指该进程由于缺乏资源不能占用CPU，进入等 待状态。一个进程由程序、数据集合和进程控制块（PCB）组 成。PCB是进程存在的唯一标志。PCB中包括如下内容：进程 标志号、进程状态（执行/就绪/等待）、进程标志、进程优先 数、程序地址、现场保护区（通常被保护的信息有程序计数器、 程序状态字、各个工作寄存器等）、通信机构、其他信息等。
（3）使用一种不对称的解法，即奇数号的哲 学家先拿左手边的筷子，而偶数号的哲学家先 拿右手边的筷子。
17、有一个阅览室，共有100个座位，读 者进入时必须先在一张登记表上登记，该 表为每一座位列一表目，包括座号和读者 姓名等，读者离开时要消掉登记的信息， 试问： （1）为描述读者的动作，应编写几个程序， 设置几个进程？ （2）试用PV操作描述读者进程之间的同 步关系。
答：每个进程中访问临界资源的那 段程序称为临界区（临界资源是一 次仅允许一个进程使用的共享资 源）。每次只准许一个进程进入临 界区，进入后不允许其他进程进入。
12、试说明进程互斥、同步和 通信三者之间的关系。
答：进程的同步与互斥是指进程在推进时的相 互制约关系。在多道程序系统中，由于资源共 享与进程合作，这种进程间的制约称为可能。 为了保证进程的正确运行以及相互合作的进程 之间交换信息，需要进程之间的通信。
基本状态： 1、就绪态：进程具备运行条件，但尚未占用
CPU 2、执行态：进程正在占用CPU 3、等待态：进程由于等待某个事件不能享用
CPU
进程的三个基本状态及转换
进入
释放资源 得到资源
等待态
（不能占用 CPU）
资源不足
就绪
学习操作系统心得体会
学习操作系统心得体会计算机操作系统是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它实现了对计算机硬件操作的抽象。
操作系统是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。
操作系统的一些原理在生活中的应用主要有以下几个，结合生活中的例子，可以化抽象为具体，我们会更加清楚地了解到其原理与操作过程：1、银行家算法——避免死锁死锁的产生是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。
此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。
由于资源占用是互斥的，当某个进程提出申请资源后，使得有关进程在无外力协助下，永远分配不到必需的资源而无法继续运行，这就产生了一种特殊现象死锁。
我觉得操作系统所讲的死锁就好像两个人竟过独木桥，两辆车竟过单行桥等阻塞现象，原因是共享资源，即道路。
为提高系统资源的利用率，避免死锁并不严格限制死锁必要条件的存在，而是在资源的动态分配过程中，使用某种方法去防止系统进入不安全状态，从而避免死锁的最终出现。
然而，最有代表性的避免死锁的算法，是Dijkstra的银行家算法。
在该方法中把系统的状态分为安全状态和不安全状态，只要能使系统始终都处于安全状态，便可以避免发生死锁。
银行家算法的基本思想是分配资源之前，判断系统是否是安全的；若是安全的，才分配。
我们可以把操作系统看作是银行家，操作系统管理的资源相当于银行家管理的资金，进程向操作系统请求分配资源相当于用户向银行家贷款。
为保证资金的安全,银行家规定：（1）当一个顾客对资金的最大需求量不超过银行家现有的资金时就可接纳该顾客；（2）顾客可以分期贷款,但贷款的总数不能超过最大需求量；（3）当银行家现有的资金不能满足顾客尚需的贷款数额时，对顾客的贷款可推迟支付，但总能使顾客在有限的时间里得到贷款；（4）当顾客得到所需的全部资金后，一定能在有限的时间里归还所有的资金。
电大操作系统 第2章教材习题解答
第2章进程管理“练习与思考”解答1．基本概念和术语进程、进程互斥、进程同步、临界资源、临界区、死锁进程是程序在并发环境中的执行过程。
进程互斥：各个进程彼此不知道对方的存在，逻辑上没有关系，由于竞争同一资源（如打印机、文件等）而发生相互制约。
进程同步：各个进程不知对方的名字，但通过对某些对象（如I/O缓冲区）的共同存取来协同完成一项任务。
临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。
临界区：在每个进程中访问临界资源的那段程序。
死锁是指在一个进程集合中的每个进程都在等待仅由该集合中的另一个进程才能引发的事件而无限期地僵持下去的局面。
2．基本原理和技术（1）在操作系统中为什么要引入进程概念？它与程序的区别和联系是什么？在操作系统中，由于多道程序并发执行时共享系统资源，共同决定这些资源的状态，因此系统中各程序在执行过程中就出现了相互制约的新关系，程序的执行出现“走走停停”的新状态。
这些都是在程序的动态过程中发生的。
用程序这个静态概念已不能如实反映程序并发执行过程中的这些特征。
为此，人们引入“进程”这一概念来描述程序动态执行过程的性质。
进程与程序的主要区别是：·进程是动态的；程序是静态的。
·进程有独立性，能并发执行；程序不能并发执行。
·二者无一一对应关系。
·进程异步运行，会相互制约；程序不具备此特征。
但进程与程序又有密切的联系：进程不能脱离具体程序而虚设，程序规定了相应进程所要完成的动作。
（2）进程的基本状态有哪几种？通常在操作系统中，进程至少要有三种基本状态。
这三种基本状态是：运行态、就绪态和阻塞态（或等待态）。
（3）用如图3-23所示的进程状态转换图能够说明有关处理机管理的大量内容。
试回答：①什么事件引起每次显著的状态变迁？②下述状态变迁因果关系能否发生？为什么？（A）2→1 （B）3→2 （C）4→1图3-23 进程状态转换图①就绪→运行：CPU空闲，就绪态进程被调度程序选中。
实验1~4进程间通信、信号量、死锁
西安邮电大学（计算机学院）课内实验报告实验名称：进程间通信/信号量/死锁专业名称：班级：学生姓名：学号（8位）：指导教师：实验日期：一.实验目的及实验环境（一）实验环境CPU：Intel Core i3 2.30 GHz内存：2.0 GB操作系统：LINUX（二）实验目的实验1 掌握linux基本命令和开发环境1. 掌握编译环境gcc及跟踪调试工具gdb2. 掌握常用的linux shell命令3. 掌握编辑环境vim实验2 进程通过观察、分析实验现象，深入理解进程及进程在调度执行和内存空间等方面的特点，掌握在posix规范中fork和kill系统调用的功能和使用。
实验3 线程通过观察、分析实验现象，深入理解线程及线程在调度执行和内存空间等方面的特点，并掌握线程与进程的区别。
掌握posix规范中pthread_creat()函数的功能和使用方法。
实验4 互斥通过观察、分析实验现象，深入理解互斥锁的原理及特点掌握在posix 规范中的互斥函数的功能及使用方法。
二.实验内容（一）实验21. 填写代码：1)建立child_proc_number个子进程，要执行：proc_number = i；do_something(); 父进程把子进程的id保存到pid[i] 。
2)向pid[ch-'0']发信号SIGTERM，杀死该子进程。
3)杀死本组的所有进程。
2. 实验过程先猜想一下这个程序的运行结果。
假如运行“./process 20”，输出会是什么样？然后按照注释里的要求把代码补充完整，运行程序。
可以多运行一会儿，并在此期间启动、关闭一些其它进程，看process的输出结果有什么特点，记录下这个结果。
开另一个终端窗口，运行“ps aux|grep process”命令，看看process究竟启动了多少个进程。
回到程序执行窗口，按“数字键+回车”尝试杀掉一两个进程，再到另一个窗口看进程状况。
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11
• i代表缓冲区队列号，则可设i＝0，1 代表缓冲区队列号，则可设i 则缓冲区队列为buf 则缓冲区队列为buf 0, buf 1 • 对应的有send(0，m) 、send(1，m) 对应的有send(0 send(0， send(1， receive(0， receive(1， receive(0，m) 、 receive(1，m) PA调用 PB调用
信号量机制实施的主要步骤是： 信号量机制实施的主要步骤是： （1）分析清楚涉及的进程间的制约关 系 （2）设置信号量（信号量的物理含义 设置信号量（ 信号量的初值）。 信号量的初值）。 （3）给出进程相应程序的算法描述或 流程控制，并把P 流程控制，并把P、V操作加到• 设信号量avail为生产者进程的私用信号 设信号量avail avail为生产者进程的私用信号 初值为m 表示空缓冲区的数目。 量，初值为m，表示空缓冲区的数目。 • 信号量full为消费者进程的私用信号量， 信号量full为消费者进程的私用信号量， full为消费者进程的私用信号量 初值为0 表示已用缓冲区的数目。 初值为0，表示已用缓冲区的数目。 • 设第i块缓冲区的公用信号量为mutex[i] 设第i块缓冲区的公用信号量为mutex[i] 保证生产者进程和消费者进程对同一块 缓冲区操作的互斥，初值为1 缓冲区操作的互斥，初值为1。
• 定义 bufempty0， buffull1是PA的私 ， 是 有信号量，表示0 有信号量，表示0缓冲区队列中空缓冲区 的数目和1缓冲区队列中满缓冲区的数目 的数目和1 同理bufempty1， buffull0是PB的私有 bufempty1， buffull0是 信号量 • 初始时 初始时bufempty0＝ bufempty1＝n， buffull0＝ buffull1＝0
14（1）
• 要保证不会出现两个邻座同时要求吃饭， 要保证不会出现两个邻座同时要求吃饭， 则若一个人吃饭时则同时把他左右的筷 子都拿到。先拿左边的筷子， 子都拿到。先拿左边的筷子，再拿右边 的筷子 • 筷子是临界资源，设信号量 筷子是临界资源，设信号量c[0]－ c[4]， 表示i号筷子可用，初始值均为1 表示i号筷子可用，初始值均为
14（2）
• eat（i）： Begin If i mod 2 ＝＝0 then ｛ P( c[i] ) P( c[i 1 mod 5 ] ) )；P( c[i＋1 Eat V ( c[i＋1 mod 5 ] ) ；V ( c[i] ) } else
•{ P( c[i＋1 mod 5 ] )； P( c[i] ) Eat V ( c[i] ) ；V ( c[i＋1 mod 5 ] ) } End
14（2）
• 让奇数号的哲学家先取右边的筷子，让 让奇数号的哲学家先取右边的筷子， 偶数号的哲学家先取左边的筷子， 偶数号的哲学家先取左边的筷子，这样 任何一个哲学家拿到一只筷子以后， 任何一个哲学家拿到一只筷子以后，就 已经阻止了他邻座的一个哲学家吃饭的 企图， 都先竞争奇数号筷子) 企图，(都先竞争奇数号筷子)除非某个 哲学家一直吃下去， 哲学家一直吃下去，否则不会有人饿死
14（1）
• eat（i）：第i（0－4）个哲学家要 eat（ ）：第 吃饭 Begin P（ c[i] ） c[(i＋ P（ c[(i＋1) mod 5 ] ） Eat c[(i＋ V （ c[(i＋1) mod 5 ] ） V （ c[i] ） End
14（3）
• 上述解法可以保证不会有两个相邻的 哲学家同时进餐， 哲学家同时进餐，但有引起死锁的可 能。假如五个哲学家同时饥饿而各自 拿起左边的筷子时， 拿起左边的筷子时，就会使五个筷子 的信号量都为0 的信号量都为0，当他们试图去拿右 边的筷子时， 边的筷子时，都会因为无筷子拿而无 限期地等待。 限期地等待。
• 生产者 Deposit(data) Begin P(avail) 选择一个空缓冲区i 选择一个空缓冲区i P(mutex[ i ] ) 送数据入缓冲区i 送数据入缓冲区i，置满标记 V(mutex [ i ] ) V(full) End
• 消费者 Remove(data) Begin P(full) 选择一个满缓冲区i 选择一个满缓冲区i P(mutex[ i ] ) 取缓冲区i中的数据, 取缓冲区i中的数据,置空标记 V(mutex [ i ] ) V(avail) End
• Send(i，m) Send(i， Begin P(bufemptyi) FIFO方式在 方式在buf i中选择一个空 按FIFO方式在buf i中选择一个空 缓冲区j 缓冲区j buf i (j) ＝m buf i (j)置满标记 (j)置满标记 V( buffull i ) End
• receive(i，m) receive(i， Begin P(buffull i ) FIFO方式在 方式在buf 按FIFO方式在buf i 中选择一个 满缓冲区j 满缓冲区j m＝ buf i (j) buf i (j)置空标记 (j)置空标记 V( bufempty i ) End