操作系统-进程同步
第一章 操作系统引论
由于S被初始化为0，这样，若P2先执行必定阻塞，只有 在进程P1执行完S1； signal(S)；操作后使S增为1时，P2进程 方能成功执行语句S2。同样，我们可以利用信号量按照语句 间的前趋关系(见图2-14)，写出一个更为复杂的可并发执行 的程序。
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第一章 操作系统引论
2.4.3 信号量机制 1. 整型信号量 最初由Dijkstra把整型信号量定义为一个用于表示资源
数目的整型量S，它与一般整型量不同，除初始化外，仅能 通过两个标准的原子操作(Atomic Operation) wait(S)和 signal(S)来访问。很长时间以来，这两个操作一直被分别称 为P、V操作。
4. 信号量集 在前面所述的记录型信号量机制中，wait(S)或signal(S) 操作仅能对信号量施以加1或减1操作，意味着每次只能对某 类临界资源进行一个单位的申请或释放。当一次需要N个单 位时，便要进行N次wait(S)操作，这显然是低效的，甚至会 增加死锁的概率。此外，在有些情况下，为确保系统的安全 性，当所申请的资源数量低于某一下限值时，还必须进行管 制，不予以分配。因此，当进程申请某类临界资源时，在每 次分配之前，都必须测试资源的数量，判断是否大于可分配 的下限值，决定是否予以分配。
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第一章 操作系统引论
2.4.2 硬件同步机制 虽然可以利用软件方法解决诸进程互斥进入临界区的问
题，但有一定难度，并且存在很大的局限性，因而现在已很 少采用。相应地，目前许多计算机已提供了一些特殊的硬件 指令，允许对一个字中的内容进行检测和修正，或者是对两 个字的内容进行交换等。可利用这些特殊的指令来解决临界 区问题。
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第一章 操作系统引论
2.4.4 信号量的应用 1. 利用信号量实现进程互斥 为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只需为该资源
设置一互斥信号量mutex，并设其初始值为1，然后将各进程 访问该资源的临界区CS置于wait(mutex)和signal(mutex)操作 之间即可。
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第一章 操作系统引论
2. 利用信号量实现前趋关系 还可利用信号量来描述程序或语句之间的前趋关系。设 有两个并发执行的进程P1和P2。P1中有语句S1；P2中有语句 S2。我们希望在S1执行后再执行S2。为实现这种前趋关系， 只需使进程P1和P2共享一个公用信号量S，并赋予其初值为0， 将signal(S)操作放在语句S1后面，而在S2语句前面插入wait(S) 操作，即 在进程P1中，用S1；signal(S)； 在进程P2中，用wait(S)；S2；
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2. 记录型信号量 在整型信号量机制中的wait操作，只要是信号量S≤0，就 会不断地测试。因此，该机制并未遵循“让权等待”的准则， 而是使进程处于“忙等”的状态。记录型信号量机制则是一 种不存在“忙等”现象的进程同步机制。但在采取了“让权 等待”的策略后，又会出现多个进程等待访问同一临界资源 的情况。为此，在信号量机制中，除了需要一个用于代表资 源数目的整型变量value外，还应增加一个进程链表指针list， 用于链接上述的所有等待进程。
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第一章 操作系统引论
2. 利用Test-and-Set指令实现互斥 这是一种借助一条硬件指令——“测试并建立”指令 TS(Test-and-Set)以实现互斥的方法。在许多计算机中都提供 了这种指令。
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3. 利用Swap指令实现进程互斥 该指令称为对换指令，在Intel 80x86中又称为XCHG指 令，用于交换两个字的内容。
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第一章 操作系统引论
3. 临界区(critical section) 由前所述可知，不论是硬件临界资源还是软件临界资源， 多个进程必须互斥地对它进行访问。人们把在每个进程中访 问临界资源的那段代码称为临界区(critical section)。
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第一章 操作系统引论
4. 同步机制应遵循的规则 为实现进程互斥地进入自己的临界区，可用软件方法， 更多的是在系统中设置专门的同步机构来协调各进程间的运 行。所有同步机制都应遵循下述四条准则： (1) 空闲让进。 (2) 忙则等待。 (3) 有限等待。 (4) 让权等待。
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1. 关中断 关中断是实现互斥的最简单的方法之一。在进入锁测试 之前关闭中断，直到完成锁测试并上锁之后才能打开中断。 这样，进程在临界区执行期间，计算机系统不响应中断，从 而不会引发调度，也就不会发生进程或线程切换。由此，保 证了对锁的测试和关锁操作的连续性和完整性，有效地保证 了互斥。但是，关中断的方法存在许多缺点：① 滥用关中断 权力可能导致严重后果；② 关中断时间过长，会影响系统效 率，限制了处理器交叉执行程序的能力；③ 关中断方法也不 适用于多CPU 系统，因为在一个处理器上关中断并不能防止 进程在其它处理器上执行相同的临界段代码。
第一章 操作系统引论
2.4 进 程 同 步
在OS中引入进程后，一方面可以使系统中的多道程序并 发执行，这不仅能有效地改善资源利用率，还可显著地提高 系统的吞吐量，但另一方面却使系统变得更加复杂。如果不 能采取有效的措施，对多个进程的运行进行妥善的管理，必 然会因为这些进程对系统资源的无序争夺给系统造成混乱。 致使每次处理的结果存在着不确定性，即显现出其不系统引论
3. AND型信号量 前面所述的进程互斥问题针对的是多个并发进程仅共享 一个临界资源的情况。在有些应用场合，是一个进程往往需 要获得两个或更多的共享资源后方能执行其任务。假定现有 两个进程A和B，它们都要求访问共享数据D和E，当然，共 享数据都应作为临界资源。
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第一章 操作系统引论
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2.4.1 进程同步的基本概念 1. 两种形式的制约关系 1) 间接相互制约关系 2) 直接相互制约关系
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第一章 操作系统引论
2. 临界资源(Critical Resouce) 在第一章中我们曾经介绍过，许多硬件资源如打印机、 磁带机等，都属于临界资源，诸进程间应采取互斥方式，实 现对这种资源的共享。
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; }
操作系统 实验三 进程同步
集美大学计算机工程学院实验报告课程名称：操作系统指导教师：王丰实验成绩：实验编号：实验三实验名称：进程同步班级：计算12姓名：学号：上机实践日期：2015.5上机实践时间：2学时一、实验目的1、掌握用Linux信号灯集机制实现两个进程间的同步问题。
2、共享函数库的创建二、实验环境Ubuntu-VMware、Linux三、实验内容⏹需要的信号灯: System V信号灯实现☐用于控制司机是否可以启动车辆的的信号灯 S1=0☐用于控制售票员是否可以开门的信号灯 S2=0System V信号灯实现说明□ System V的信号灯机制属于信号灯集的形式, 一次可以申请多个信号灯.□同样利用ftok()生成一个key： semkey=ftok(path,45);□利用key申请一个包含有两个信号灯的信号灯集, 获得该集的idsemid=semget(semkey,2,IPC_CREAT | 0666);□定义一个联合的数据类型union semun{int val;struct semid_ds *buf;ushort *array;};□利用semctl()函数对信号灯初始化,参数有:信号灯集的id: semid要初始化的信号灯的编号:sn要设定的初始值:valvoid seminit(int semid, int val,int sn){union semun arg;arg.val=val;semctl(semid,sn,SETVAL,arg);}利用初始化函数,初始化信号灯:seminit(semid,0,0);//用来司机启动汽车的同步seminit(semid,0,1);//用来售票员开门的同步控制□利用semop()函数, 对信号灯实现V操作:sembuf是一个在头部文件中的预定义结构、semid—信号灯集id, sn—要操作的信号灯编号void semdown(int semid,int sn){/* define P operating*/struct sembuf op;op.sem_num=sn;op.sem_op=-1;//P操作为-1op.sem_flg=0;semop(semid,&op,1);}2、Linux的静态和共享函数库·Linux生成目标代码： gcc -c 源程序文件名（将生成一个与源程序同名的.o目标代码文件。
进程间同步的几种方法
进程间同步的几种方法进程间同步是指两个或多个进程之间进行协调，以确保它们能够正确地执行。
这是多任务操作系统中的重要问题，因为进程之间共享资源，包括内存、文件和网络连接等。
进程同步的关键是确保一组进程在处理共享资源时，能够避免发生竞态条件（Race Condition）和死锁（Deadlock）。
竞态条件指多个进程同时访问共享资源，导致不正确的结果。
死锁指多个进程互相等待，导致它们都无法继续执行。
1. 互斥锁互斥锁是最常见的同步方法之一，它被用来保护共享资源，确保同一时刻只有一个进程可以访问它。
当一个进程获取了锁，其他进程必须等待，直到锁被释放。
在 POSIX 系统中，互斥锁可以通过 pthread_mutex_t 数据类型实现。
我们可以使用pthread_mutex_init() 函数初始化锁，使用 pthread_mutex_lock() 函数获取锁，使用pthread_mutex_unlock() 函数释放锁。
下面是一个例子，展示了如何使用互斥锁同步两个进程对共享变量的访问：```c#include <pthread.h>#include <stdio.h>int count = 0;pthread_mutex_t lock;void *increment(void *arg) {for (int i = 0; i < 1000000; i++) {pthread_mutex_lock(&lock); // 获取锁count++;pthread_mutex_unlock(&lock); // 释放锁}return NULL;}在上面的例子中，我们创建了两个线程，它们分别对共享变量 count 进行了一百万次的递增操作。
我们使用了互斥锁来保护 count 变量，确保同一时刻只有一个线程可以访问它。
2. 信号量3. 条件变量条件变量可以被用来支持更高级的同步机制，如互斥锁和信号量。
操作系统的进程同步机制
操作系统的进程同步机制操作系统是计算机透过硬件资源调度软件资源的重要软件工具，而进程是操作系统的一个重要概念，是计算机为了执行运算而分配的一段正在运行或待执行的代码。
当多个进程必须使用同一资源时，需要进行进程同步才能保证计算机的工作效率。
本文将介绍进程同步的概念、原理，以及目前使用的进程同步机制。
一、进程同步1.概念进程同步是指在多个进程同时访问共享资源时，为保证各进程操作正确、同步所采用的一种协调机制。
进程同步是指保护共享资源，使多个进程能够协同工作，避免执行发生冲突和竞争，从而保证计算机系统的稳定、安全和正确运行。
2.原理进程之间的相互影响有时会导致竞争条件，即多个进程试图同时访问同一资源，这会导致数据的不一致或破坏进程状态的可能性。
进程同步的目的是让多个进程能够按照一定顺序依次访问共享资源。
进程同步的基本原理是互斥原则，即同一时间只能有一个进程使用共享资源。
在保证临界资源的线程互斥和取消进程死锁的前提下，能够利用操作系统提供的同步机制解决竞争关系。
二、进程同步机制进程同步机制是解决多个进程访问共享资源的有效途径。
常见的进程同步机制有以下五种：1.临界区临界区是竞争资源最经常使用的同步技术，所有进程必须相互协调在公共资源中访问共享数据，这样的公共区域成为临界区。
每次只有一个进程能够进入临界区，而其他进程必须等到该进程离开临界区后，才能进入公共区域。
临界区的具体实现：在进入临界区时，设置“占用”标记；在离开临界区时，设置“空闲”标记。
如果进程试图进入一段已经被占据的代码，就会进入等待状态，直到“空闲”标记再次被设置为止。
2.信号量信号量是由荷兰计算机科学家E.W. Dijkstra提出的同步工具，是一个用于进程通信的系统级对象，它可以被进程通过两种操作进行访问：P操作（wait）和V操作（signal）。
P操作：当信号量S大于0时，对信号量S执行一次锁操作。
V操作：释放对S资源的锁定，将S增加1。
操作系统：进程同步
操作系统：进程同步基本概念在 Os 中引⼊进程后，虽然提⾼了资源的利⽤率和系统的吞吐量，但由于进程的异步性，也会给系统造成混乱，尤其是在他们争⽤临界资源时。
例如，当多个进程去争⽤⼀台打印机时，有可能使多个进程的输出结果交织在⼀起，难于区分；⽽当多个进程去争⽤共享变量、表格、链表时，有可能致使数据处理出错。
进程同步的主要任务是对多个相关进程在执⾏次序上进⾏协调，以使并发执⾏的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从⽽使程序的执⾏具有可再现性。
在资源共享的情况下：保证诸进程以互斥的⽅式访问临界资源—必须以互斥⽅式访问的共享资源；在相互合作的关系中：进程同步的主要任务是保证相互合作的诸进程在执⾏次序上协调，（有些教材把这种功能称做“协调”）。
相互合作的进程可能同时存在资源共享的关系。
如何实现进程互斥，需要让进程以互斥的⽅式进⼊各⾃的临界区，先执⾏进⼊区的代码。
⼈为地加⼀段代码。
临界资源必须以互斥⽅式访问的共享资源counter的例⼦：在机器语⾔中实现两个进程给count加⼀的操作register1 = countregister1 = register1 + 1count = register1register2 = countregister2 = register2 + 1count = register2但是如果是并发执⾏，可能会出现下⾯的情况register1 = countregister2 = countregister1 = register1 + 1register2 = register2 + 1count = register1count = register2结果就不对了。
可见，counter应该作为临界资源。
多个进程必须对其进⾏互斥访问临界区在每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。
如果能保证诸进程互斥地进⼊⾃⼰的临界区，便可实现诸进程对临界资源的互斥访问。
每个进程在进⼊临界区之前，应先对欲访问的临界资源进⾏检查，看它是否正被访问。
计算机操作系统 第二章 进程管理(2)
缺点：
（1）进程在等待进入临界区时也要耗费处理器时间， 不能实现“让权等待” （2）可能出现进程“饥饿”
2.3.2 信号量机制
新的同步工具——信号量和P、V操作。
信号量：是一种数据结构，代表可用资源实 体的数目。
信号量只能通过初始化和两个标准的原语： P（wait(S)）、V（(signal(S)）来访问。 P原语相当于进入区操作，V原语相当于退 出区操作。
AND同步机制
AND同步机制的基本思想是：进程运行时所 需要的所有资源，要么全部分配给它，使用完 毕后一起释放；要么一个都不分配给它。实现 时，采用原子操作：要么全部分配到所有资源， 要么一个也不分配到。 称AND型信号量P原语为：
Swait(Simultaneous wait)
V原语为Ssignal(Simultaneous signal)。
SP原语描述
Swait(S1,S2,„,Sn) /* SP原语描述 */ {while(1) {if(S1>=1&&S2>=1&&„&&Sn>=1) {for(i=1;i<=n;i++) Si--; /* 先确信可满足所有资源要求再减1操作 */ berak; } else /* 资源不够时 */ {将进程放入第一个信号量小于1的阻塞队列Si.sqeue; 将PC中的地址回退到SP开始处； 阻塞进程； } } }
第二章 进程管理（2）
2.3 进程同步
多进程并发执行时，由于资源共享或进程合 作，使进程间形成间接相互制约和直接相互制 约关系，这需要用进程互斥与同步机制来协调 两种制约关系。 进程同步的主要任务：协调进程执行次序， 使并发执行的诸进程间能有效地共享资源和相 互合作，使程序的执行具有可再现性。
操作系统进程通信
P1：count=R1
结果：虽然P1和P2进程各自都执行了对count加1的操作 段，但结果count只增加1。
原因分析：变量count就是临界资源，P1、P2访问count 的两个程序段就是临界区。但是两个进程同时进入了临 界区执行了。
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用中断机制保证锁的安全性
用中断机制保证测试锁状态和关锁操作的原子性。
在测试锁状态前关闭中断； 如果测试不通过，开中断，然后重新测试。 如果测试通过，关锁，然后开中断，进入临界区。
优缺点：
中断关闭时间短，只两条指令。不会影响到中断处理 效率，也不会影响进程的并发特性。
不能用于多CPU系统。
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刚进入临界区： wanted_in[self] = TRUE CASE1: Wanted_in[other] == FALSE, observer == self CASE2: Wanted_in[other] == TRUE, observer == other， CASE3： Wanted_in[other] == FALSE，且 observer == other（实际上不可能出现）
不在临界区，也没参与竞争临界区：wanted_in[self] == FLASE;
参与竞争临界区，但还没有设置观察进程（刚执行完 wanted_in[self] = TRUE）：
刚设置了观察进程，但还没有执行测试进入： wanted_in[self] == TRUE
处于循环等待态： wanted_in[other] = TRUE 并且 observer == self
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2-4、锁机制的软件实现
背景：
硬件实现需要代价比较大 移植性差，依赖具体的硬件平台 在多处理环境下有些硬件实现方式不使用，如中
操作系统实验3进程同步报告
实验三进程同步一、实验目的：1.了解进程和线程的同步方法，学会运用进程和线程同步方法来解决实际问题；2.了解windows系统下Win32 API或Pthread信号量机制的使用方法；二、实验预备内容：1.对书上所说基于信号量的有限缓冲的生产者－消费者问题；2.对于信号量的概念有大概的了解，知道如何用信号量的wiat()和signal()函数如何取消应用程序进入临界区的忙等；三、实验环境说明：此实验在Win7(32位) CodeBlocks环境下实现，采用WinAPI的信号量机制。
四、实验内容：设计一个程序解决有限缓冲问题，其中的生产者与消费者进程如下图所示。
在Bounded-Buffer Problem（6.6.1节）中使用了三个信号量：empty （记录有多少空位）、full（记录有多少满位）以及mutex（二进制信号量或互斥信号量，以保护对缓冲区插入与删除的操作）。
对于本项目，empty和full将采用标准计数信号量，而mutex将采用二进制信号量。
生产者与消费者作为独立线程，在empty、full、mutex的同步前提下，对缓冲区进行插入与删除。
本项目可采用Pthread或Win32 API。
（本实验采用Win32 API）五、程序设计说明：1.全局变量：定义缓冲区数组及其环形队列表达方式，定义mutex、empty、full 三个信号量。
empty记录缓冲区有多少个空位；full记录缓冲区有多少个满位；mutex作为互斥信号量，保护对缓冲区插入或删除的操作。
具体定义如下：定义生产者、消费者线程结构和包含的信息：（由于题目中没有要求，因此只定义了编号一个变量）2.缓冲区：缓冲区是一个元数据类型为buffer_item（可通过typedef定义）的固定大小的数组，按环形队列处理。
buffer_item的定义及缓冲区大小可保存在头文件中：A.insert_item()：先判断缓冲区是否已满，不满则向缓冲区中插入元素；B.remove_item()先判断缓冲区是否为空，不空则从缓冲区中删除元素；3.生产者线程：生产者线程交替执行如下两个阶段：睡眠一段随机事件，向缓冲中插入一个随机数。
操作系统课程设计-进程同步模拟设计
课程设计题目进程同步模拟设计——生产者和消费者问题学院计算机科学与技术学院专业计算机科学与技术班级0806姓名张方纪指导教师孙玉芬2010 年 1 月20 日课程设计任务书学生姓名：张方纪专业班级：计算机0806指导教师：孙玉芬工作单位：计算机科学与技术学院题目: 进程同步模拟设计——生产者和消费者问题初始条件：1．预备内容：阅读操作系统的进程管理章节内容，对进程的同步和互斥，以及信号量机制度有深入的理解。
2．实践准备：掌握一种计算机高级语言的使用。
要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1．模拟用信号量机制实现生产者和消费者问题。
2．设计报告内容应说明：⑴需求分析；⑵功能设计（数据结构及模块说明）；⑶开发平台及源程序的主要部分；⑷测试用例，运行结果与运行情况分析；⑸自我评价与总结：i）你认为你完成的设计哪些地方做得比较好或比较出色；ii）什么地方做得不太好，以后如何改正；iii）从本设计得到的收获（在编写，调试，执行过程中的经验和教训）；iv）完成本题是否有其他方法（如果有，简要说明该方法）；时间安排：设计安排一周：周1、周2：完成程序分析及设计。
周2、周3：完成程序调试及测试。
周4、周5：验收、撰写课程设计报告。
（注意事项：严禁抄袭，一旦发现，一律按0分记）指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日进程同步模拟设计——生产者和消费者问题1课设任务本课程设计的任务在于，通过编写一个具体的有关操作系统进程同步互斥的经典问题，加强对操作系统实现进程间同步与互斥的机制的理解。
同时培养提出问题、发现知识、使用工具、解决问题的能力。
具体地，我们要编制出一个程序，利用PV原语以及进程创建、同步、互斥、销毁等相关的系统调用来模拟“生产者—消费者”问题。
2背景介绍2.1“生产者—消费者”问题(the producer-consumerproblem)问题描述：一组生产者向一组消费者提供消息，它们共享一个有界缓冲区n，生产者向其中投放消息，消费者从中取得消息。
操作系统复习资料全第二章 进程管理(3)-经典同步问题
信号量S的值除初始化（为资源数目）外，其值只能通过原
语wait和signal，也称P、V操作来改变。
整型信号量的P、V操作描述
wait和signal
wait(S): while S≤0 do no-op S∶=S-1; signal(S): S∶=S+1; 解释：P或wait操作：当S≤0时，说明无资源可用，一直测试直到其他进程 释放该类资源。
1. 至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少 有一位哲学家能够进餐。（增加一个总资源信号量S=4）
2. 仅当哲学家的左、右两只筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐 （AND型信号量）。
3. 规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿右边的筷子； 而偶数号哲学家则相反。按此规定，将是1、 2号哲学家竞争1号 筷子；3、4号哲学家竞争3号筷子。即五位哲学家都先竞争奇数 号筷子，获得后，再去竞争偶数号筷子，最后总会有一位哲学家 能获得两只筷子而进餐。
1. 利用记录型信号量解决读者 为实现Reader与Writer进程间在读或写时的互斥而设置了一个互 斥信号量Wmutex； 设置一个整型变量Readcount表示正在读的进程数目； 当 Readcount=0 时，表示尚无 Reader 进程在读时， Reader 进 程才需要执行 Wait(Wmutex) 操作。若 wait(Wmutex) 操作成功， 做Readcount+1和读文件操作； 当Reader进程在执行了Readcount减1操作后其值为0时，才须 执行signal(Wmutex)操作，以便让Writer进程写； 又因为Readcount是一个可被多个 Reader进程访问的临界资源， 因此，应该为它设置一个互斥信号量rmutex。