进程同步与互斥
第三章进程管理4(同步和互斥1)
1
进 程 管 理
执行
挂起
激活 活动就绪 挂起 释放 激活 活动阻塞 静止阻塞 释放 静止就绪
挂起
2
进 程 管 理
创建和撤销 阻塞和唤醒 挂起和激活
3
进 程 管 理
3.5 进程的同步与互斥
进程的同步和互斥机制的主要任务：控 制并发执行的诸进程之间能有效地共享 和相互协作，同时使并发执行的程序仍 具有可再现性。 进程互斥 进程同步 利用信号量机制解决具体问题
9
进 程 管 理
一种简便的实现方法是： 一种简便的实现方法是：
lock(x)= begin local v repeat v x until v=1 (临界资源成为可用） 临界资源成为可用） 临界资源成为可用 x 0 end
10
进 程 管 理
不过，这种方法是不能保证并发进程互斥执 不过，这种方法是不能保证并发进程互斥执 行所要求的准则（ 行所要求的准则（3）的（只允许一个进程进入 临界区）。为了解决这个问题， ）。为了解决这个问题 临界区）。为了解决这个问题，有些机器在硬件 中设置了“测试与设置(test set)指令 指令” 中设置了“测试与设置(test and set)指令”。 此外，有一点需要注意的是： 此外，有一点需要注意的是：在系统试验时锁定 key[S]总是设置在公有资源所对应的数据结构 为key[S]总是设置在公有资源所对应的数据结构 中的。 中的。
23
进 程 管 理
s.value的物理含义
当s.value>0数值时，表示某类可用资源的数量。 而当s.value<0数值时，表示该类资源已分配完。 若有进程请求该类资源，则被阻塞，其绝对值 等于等待该类资源的进程数。 每次的P(s)操作，意味着进程请求分配该类资 源的一个单位资源。相反，执行一次V(s) 操作 意味着进程释放相应资源的一个单位资源。当 值小于等于0时，表明有进程被阻塞，需要唤 醒。
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）
进程同步与互斥应用例子
数据库
写者 { 写数据库； }
读者 { 读数据库； }
进程的互斥
分析：写进程writer、读进程reader因竞争数据库这个资源
而成为互斥关系。因为写进程执行时，不能执行其他读写 进程，所以还必须设置一个计数器统计读进程的个数。如 果是第一个读进程，就与写进程竞争数据库。如果是最后 一个读进程，就释放数据库。因计数器是一个临界资源， 所以多个读进程对计数器的操作又是互斥操作。
进程的同步
解：这是一个同步问题，信号量初值：S2=0，S3=0，S4=0， S5=0，S6=0
进程P1 执行P1 V(S2) V(S3) 进程P4 P(S4) 执行P4 V(S6) 进程P2 P(S2) 执行P2 V(S4) 进程P5 P(S5) 执行P5 V(S6) 进程P3 P(S3) 执行P3 V(S5) 进程P6 P(S6) P(S6) 执行P6
进程的同步
• 例1：假设有三个并发进程P，Q，R，其中P负责从输入设 备上读入信息并传送给Q，Q将信息加工后传送给R，R则负 责将信息打印输出。进程P、Q共享一个缓冲区，进程Q、R 共享另一个缓冲区。
3个进程P、Q、R P进程： 从输入设备上读入信息 将信息放入缓冲区1 Q进程： 从缓冲区1取出信息 将信息放入缓冲区2中 R进程： 从缓冲区2取出信息 将信息打印输出
进程的互斥
练习：过十字路口（单道）。
P4
P1
P3
P2
P1 { 通过路口； }
P2 { 通过路口； }
P3 { 通过路口； }
P4
{ 通过路口； }
进程的互斥
分析：进程P1、P2、P3、P4因竞争十字路口这个资源而成 为互斥关系。 设：信号量m表示十字路口资源，初值为1表示资源可用。
进程之间同步和互斥的区别和联系
进程之间同步和互斥的区别和联系
1.同步是指多个进程之间按照一定的顺序执行，互斥是指多个进程之间不能同时访问共享资源。
2. 同步是为了保证进程之间执行顺序的正确性，互斥是为了避免多个进程同时访问共享资源导致数据不一致。
3. 同步机制可以通过信号量、事件、条件变量等方式实现，互斥机制通常使用互斥锁来实现。
联系：
1. 在多进程环境中，同步和互斥是相辅相成的，两者都是为了保证程序的正确性和安全性。
2. 互斥是同步的一种特殊形式，它是为了保证同步进行而采取的措施。
3. 同步和互斥都需要协调多个进程之间的关系，从而达到正确、高效地完成任务的目的。
总之，同步和互斥是操作系统中两个重要的概念，它们的区别在于同步是为了保证执行顺序的正确性，互斥是为了避免多个进程同时访问共享资源导致数据不一致，但是它们在多进程环境中都是相辅相成的。
- 1 -。
进程_PV操作
7
主要内容：
1. 进程 2. 同步与互斥 3. PV操作与典型问题
8
PV操作
1. 信号量的含义 2. 信号量的物理意义 3. 如何用信号量实现同步与互斥
9
PV操作
1. 记录型信号量
type semaphore=record value:integer； L:list of process；
资源数目
32
哲学家进餐问题--只允许4个同时进餐(6/6)
Var Sm:semaphore := 4； Var chopstick: array[0, …,4] of semaphore； repeat wait(Sm); wait(chopstick[i]); wait(chopstick[(i+1)mod5]); eat; signal(chopstick[(i+1)mod5]); signal(chopstick[i]); signal(Sm); think; until false;
end
end
11
PV操作实现同步与互斥
1. 用P、V操作实现进程同步 （1）分析每个进程的执行条件和释放条件， 针对每个执行条件设置一个信号量，其初值 根据初始情况确定。 （2）对每个进程做如下处理： ①在请求条件出执行P（执行条件信号量） ②在释放条件处执行V（释放条件信号量）
12
PV操作实现同步与互斥
4
主要内容：
1. 进程 2. 同步与互斥 3. PV操作与典型问题
5
同步与互斥
1. 同步：多个相关进程在执行次序上的协调 如：单缓冲区 2. 互斥：在多道程序环境下，每次只允许一 个进程对临界资源进行访问 如：打印机
6
同步与互斥
同步机制和互斥机制
同步机制和互斥机制同步机制是指多个进程或线程在执行过程中，为了协调彼此的操作，按照一定的规则来进行协作，从而避免冲突和数据不一致的问题。
而互斥机制是同步机制的一种实现方式，通过互斥锁来保护共享资源，确保只有一个进程或线程可以访问改资源，其他进程或线程需要等待。
同步机制的作用主要是保持多线程或多进程之间的有序性，确保数据的可靠性和一致性。
在多线程或多进程的情况下，由于资源的共享，很容易出现数据竞争的问题，例如多个线程同时对同一变量进行修改，就有可能导致数据的不一致性和错误的结果。
同步机制通过引入一些规则和机制，来确保各个线程或进程之间按照一定的次序进行访问和操作，从而避免冲突和错误。
互斥机制是同步机制的一种实现方式，主要通过互斥锁来保护共享资源。
互斥锁是一种特殊的标志，只有获得了该标志的进程或线程才能访问共享资源，其他未获得该标志的进程或线程需要等待。
当一个进程或线程获得互斥锁后，其他进程或线程就无法获得该锁，只能等待，直到该进程或线程释放互斥锁。
互斥锁的引入可以防止多个进程或线程同时对共享资源进行修改，保证了数据的一致性。
同步机制和互斥机制是操作系统中非常重要的概念，对于并发编程和资源共享有着重要的作用。
在实际应用中，同步机制和互斥机制常常同时使用，实现对共享资源的保护和管理。
在多线程编程中，同步机制和互斥机制能够帮助我们避免一些典型的问题，比如竞态条件和死锁问题。
竞态条件指的是多个线程在同一时间同时访问某一共享资源，由于执行顺序的不确定性，导致的结果不确定性。
使用同步机制和互斥机制可以确保只有一个线程在同一时间访问共享资源，避免了竞态条件的发生。
而死锁问题指的是多个进程或线程因为相互之间循环等待资源而无法继续执行的情况。
同步机制和互斥机制可以通过合理的资源分配和管理，避免死锁的发生。
在实际编程中，同步机制和互斥机制有多种实现方式。
常用的实现方式包括信号量、互斥锁、条件变量等。
信号量是一种计数器，用于控制多个进程之间的同步和互斥。
详解进程同步与互斥机制
详解进程同步与互斥机制⽬录⼀、什么是进程同步⼆、什么是进程互斥三、常见的进程同步与互斥机制⼀、什么是进程同步在多道批处理系统中，多个进程是可以并发执⾏的，但由于系统的资源有限，进程的执⾏不是⼀贯到底的，⽽是⾛⾛停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
那么，进程的异步性会带来什么问题呢？举个例⼦，如果有 A、B 两个进程分别负责读和写数据的操作，这两个线程是相互合作、相互依赖的。
那么写数据应该发⽣在读数据之前。
⽽实际上，由于异步性的存在，可能会发⽣先读后写的情况，⽽此时由于缓冲区还没有被写⼊数据，读进程 A 没有数据可读，因此读进程 A 被阻塞。
进程同步（synchronization）就是⽤来解决这个问题的。
从上⾯的例⼦我们能看出，⼀个进程的执⾏可能影响到另⼀个进程的执⾏，所谓进程同步就是指协调这些完成某个共同任务的并发线程，在某些位置上指定线程的先后执⾏次序、传递信号或消息。
再举个⽣活中的进程同步的例⼦，你想要喝热⽔，于是你打了⼀壶⽔开始烧，在这壶⽔烧开之前，你只能⼀直等着，⽔烧开之后⽔壶⾃然会发⽣响声提醒你来喝⽔，于是你就可以喝⽔了。
就是说⽔烧开这个事情必须发⽣在你喝⽔之前。
注意不要把进程同步和进程调度搞混了：进程调度是为了最⼤程度的利⽤ CPU 资源，选⽤合适的算法调度就绪队列中的进程。
进程同步是为了协调⼀些进程以完成某个任务，⽐如读和写，你肯定先写后读，不能先读后写吧，这就是进程同步做的事情了，指定这些进程的先后执⾏次序使得某个任务能够顺利完成。
⼆、什么是进程互斥同样的，也是因为进程的并发性，并发执⾏的线程不可避免地需要共享⼀些系统资源，⽐如内存、打印机、摄像头等。
举个例⼦：我们去学校打印店打印论⽂，你按下了 WPS 的 “打印” 选项，于是打印机开始⼯作。
你的论⽂打印到⼀半时，另⼀位同学按下了 Word 的 “打印” 按钮，开始打印他⾃⼰的论⽂。
想象⼀下如果两个进程可以随意的、并发的共享打印机资源，会发⽣什么情况？显然，两个进程并发运⾏，导致打印机设备交替的收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论⽂的内容混杂在⼀起了。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
进程同步与互斥进程的PV操作在操作系统中，P、V操作是进程管理中的难点。
这是1968年荷兰人Dijkstra 给出的一种解决并发进程间互斥和同步关系的通用方法。
1. P、V操作的意义定义了信号量及其上的P操作和V操作，来实现并发进程间的同步和互斥，甚至可以用来管理资源的分配。
P、V操作因交换的信息量少，属于进程的低级通信。
2. 什么是信号量？信号量（semaphore）是由一个值和一个指针构成的数据结构。
值为整型变量，表示信息量的值；指针指向进程控制块（PCB）队列的队头，表示等待该信号量的下一个进程。
如下图所示。
信号量的一般结构及PCB队列信号量的值与相应资源的使用情况有关。
当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。
注意，信号量的初值不能为负，且其值只能由P、V操作来改变。
3. P、V操作的含义P、V操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量S进行操作，具体定义如下：P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；②如果S≥0，则该进程继续执行；否则该进程状态置为阻塞状态，进程PCB 排入信号量PCB队列末尾，放弃CPU，等待V操作的执行。
V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；②如果S≤0，释放信号量队列中第一个PCB所对应的进程，将进程状态由阻塞态改为就绪态。
执行V操作的进程继续执行。
一般来说，信号量S≥0时，S表示可用资源的数量。
执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。
而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S≤0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个阻塞状态的进程，使之成为就绪状态。
4. 利用信号量和P、V操作实现进程互斥一般地，n个进程利用信号量和P、V操作实现进程互斥的一般模型如下：进程P1进程P2……进程Pn…… …… ……P（S）； P（S）； P（S）；临界区；临界区；临界区；V（S）； V（S）； V（S）；…… …… …… ……其中S是互斥信号量，初值为1。
使用P、V操作实现进程互斥时应该注意的问题是：（1）每个程序中，用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。
若有多个分支，要认真检查P、V操作的成对性。
（2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。
（3）互斥信号量的初值一般为1。
由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。
公有信号量的值反映了公有资源的数量。
只要把临界区置于P(sem)和V(sem)之间，即可实现进程间的互斥。
就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有旅客共享这个公有资源：卫生间，所以旅客间必须互斥进入卫生间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的效果。
以下例子说明进程的互斥实现。
例1生产围棋的工人不小心把相等数量的黑子和白子混装载一个箱子里，现要用自动分拣系统把黑子和白子分开，该系统由两个并发执行的进程组成，功能如下：（1）进程A专门拣黑子，进程B专门拣白子；（2）每个进程每次只拣一个子，当一个进程在拣子时不允许另一个进程去拣子；分析：第一步：确定进程间的关系。
由功能（2）可知进程之间是互斥的关系。
第二步：确定信号量及其值。
由于进程A和进程B要互斥进入箱子去拣棋子，箱子是两个进程的公有资源，所以设置一个信号量s，其值取决于公有资源的数目，由于箱子只有一个，s的初值就设为1。
实现：begins:semaphore;s:=1;cobeginprocess AbeginL1: P(s);拣黑子；V(s);goto L1;end;process BbeginL2:P(s);拣白子；V(s);goto L2;end;coend;end;判断进程间是否互斥，关键是看进程间是否共享某一公有资源，一个公有资源与一个信号量相对应。
确定信号量的值是一个关键点，它代表了可用资源实体数。
如下实例：例2某车站售票厅，任何时刻最多可容纳20名购票者进入，当售票厅中少于20名购票者时，厅外的购票者可立即进入，否则需要在外面等待。
每个购票者可看成一个进程。
分析：第一步：确定进程间的关系。
售票厅是各进程共享的公有资源，当售票厅中多于20名购票者时，厅外的购票者需要在外面等待。
所以进程间是互斥的关系。
第二步：确定信号量及其值。
只有一个公有资源：售票厅，所以设置一个信号量s。
售票厅最多容纳20个进程，即可用资源实体数为20，s的初值就设为20。
实现：begins:semaphore;s:=20;cobeginprocess PI(I=1,2,……)begin P(s);进入售票厅；购票；退出；V(s);end;coend当购票者进入售票厅前要执行P(s)操作，执行后若s大于或等于零，说明售票厅的人数还未满可进入。
执行后若s小于零，则说明售票厅的人数已满不能进入。
这个实现中同时最多允许20个进程进入售票厅购票，其余进程只能等待。
5. 利用信号量和P、V操作实现进程同步P、V操作是典型的进程同步机制之一。
用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值为非0时，表示期望的消息已经存在。
用P、V操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作来发送消息。
使用P、V操作实现进程同步时应该注意的问题是：（1）分析进程间的制约关系，确定信号量种类。
在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程应先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么信号量进行协调，从而明确要设置哪些信号量。
（2）信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。
（3）同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。
与进程互斥不同，进程同步时的信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进程有关，所以称该信号量为私有信号量。
利用PV原语实现进程同步的方法是：首先判断进程间的关系为同步的，且为各并发进程设置私有信号量，然后为私有信号量赋初值，最后利用PV原语和私有信号量规定各进程的执行顺序。
下面我们将例1增添一个条件，使其成为进程间是同步的。
例3在例1的基础之上再添加一个功能：（3）当一个进程拣了一个棋子（黑子或白子）以后，必让另一个进程拣一个棋子（黑子或白子）。
分析：第一步：确定进程间的关系。
由功能（1）（2）（3）可知，进程间的关系为同步关系。
第二步：确定信号量及其值。
进程A和B共享箱子这个公有资源，但规定两个进程必须轮流去取不同色的棋子，因而相互间要互通消息。
对于进程A可设置一个私有信号量s1，该私有信号量用于判断进程A是否能去拣黑子，初值为1。
对于进程B同样设置一个私有信号量s2，该私有信号量用于判断进程B 是否能去拣白子，初值为0。
当然你也可以设置s1初值为0，s2初值为1。
实现:begins1,s2:semaphore;s1:=1;s2:=0;cobeginprocess AbeginL1: P(s1);拣黑子；V(s2);goto L1;end;process BbeginL2:P(s2);拣白子；V(s1);goto L2;end;coend;end;另外一个问题就是P原语是不是一定在V原语的前面？回答是否定的。
下面看一个例子。
例4设在公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：司机：启动车辆，正常行车，到站停车。
售票员：上乘客，关车门，售票，开车门，下乘客。
用PV操作对其控制。
分析：第一步：确定进程间的关系。
司机到站停车后，售票员方可工作。
同样，售票员关车门后，司机才能工作。
所以司机与售票员之间是一种同步关系。
第二步：确定信号量及其值。
由于司机与售票员之间要互通消息，司机进程设置一个私有信号量run，用于判断司机能否进行工作，初值为0。
售票员进程设置一个私有信号量stop，用于判断是否停车，售票员是否能够开车门，初值为0。
实现：begin stop ,run:semaphorestop:=0;run:=0;cobegindriver: begin消费者进程 while(True){ P(full); 从Buffer 取出一个产品; V(empty); 消费该产品; } L1: P(run);启动车辆；正常行车；到站停车；V(stop);goto L1;end;conductor:beginL2:上乘客；关车门；V(run);售票；P(stop);开车门；下乘客；goto L2;end;coend;end;用PV 操作还可以实现进程同步与互斥的混合问题，典型的如：多个生产者和多个消费者共享容量为n 的缓存区。
这个例子在很多书中都有介绍，在这里就不说了。
6. P 、V 操作举例【例1】生产者-消费者问题在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。
下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。
（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区（Buffer ）。
empty ——表示缓冲区是否为空，初值为1。
full ——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
生产者进程while(TRUE){生产一个产品;P(empty);产品送往Buffer;V(full);}（2）一个生产者，一个消费者，公用n 个环形缓冲区。
消费者进程 while(TRUE){ P(full); 从buffer （out ）中取出产品； out=(out+1) mod n ； V(empty); 消费该产品; } 消费者进程 while(TRUE){ P(full); P(mutex2)； 从buffer （out ）中取出产品； out=(out+1) mod n ； V （mutex2）； V(empty); 消费该产品; }定义两个同步信号量：empty ——表示缓冲区是否为空，初值为n 。
full ——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
设缓冲区的编号为1～n -1，定义两个指针in 和out ，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程while(TRUE){生产一个产品;P(empty);产品送往buffer （in ）；in=(in+1) mod n ；V(full);}（3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区 在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。