操作系统概论-第6章_并发管理

例：P111
临界区
例：P113
临界区
３．互斥
定义: 在操作系统中，当某一进程正在访问某临界区时， 就不允许其它进程进入，否则就会发生(后果)无法 估计的错误。我们把进程之间的这种相互制约的关 系称为互斥
• 进入临界区的准则： • (1)每次至多有一个进程处于临界区； • (2) 当有若干个进程欲进入临界区时，应在有 限的时间内使其进入； • (3)进程在临界区内仅逗留有限的时间
信号量mutex的取值范围：-2、-1、0、1
1、由 V 操 作唤醒的进程是否一定能够直接进入运行状态 ?
举例说明之 答：否。一般来说，唤醒是将进程状态由等待状态变成就 绪状态，而就绪进程何时获得处理机则是由系统的处理机 调度策略确定的。如果采用抢占式优先级调度算法，并且 被唤醒的进程是当前系统中优先级最高的进程，那么该进 程将被调度执行，该进程的状态变成运行态。如果该进程 不是系统中优先级最高的进程或系统采用其它调度算法， 那么该进程不会被调度执行，其状态将维持在就绪态
程被置成等待信号量s的状态 */
end; procedure V(var s:semaphore); begin s := s + 1; /* 把信号量加1 */ if s <= 0 then R(s); /* 若信号量小于等于0，则释放
一个等待信号量s的进程 */
end;
p、v操作
(1) p操作 对信号量s的 p操作记为 p(s)。p(s)是一个不可分割的原语 操作，即取信号灯值减1，若相减结果为负，则调用p(s)的进程 被阻，并插入到该信号量的等待队列中，否则可以继续执行
2.若用PV操作管理某一组相关临界区，其信号量S 的值在[-1，1] 之间变化，当S＝－1，S＝0，S ＝1时它们各自的物理含义是什么？ S＝－1表示已有一个进程在相关临界区执行，且 有一个进程正在等待进入相关临界区 S＝0表示有一个进程正在相关临界区执行，但无 进程等待进入相关临界区 S＝1表示无进程在相关临界区执行，也无进程等 待进入相关临界区，若有进程欲进入相关临界区 则可立即进入
操作系统概论
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
进程的并发性 与时间有关的错误 临界区与PV操作 进程的互斥与同步 进程通信 死锁
重点：分析与时间有关的错误；用 PV 操作 实现进程的互斥与同步；解决死锁问题的 方法
6.1
程序的顺序执行与并发执行
一. 程序的顺序执行与特征
1. 什么是程序的顺序执行 一个程序由若干个程序段组成，而这些程序段的执 行必须是顺序的，这种程序执行的方式就称为程序的顺 序执行。 例如：
6.2 与时间有关的错误
1. 什么是与时间有关的错误 执行结果与并发程序执行的相对速度相关 2. 为什么会发生与时间有关的错误 当两个或多个程序有共同的临界资源时，由于程 序执行的速度不同，则会发生与时间有关的错误
例：P111
例：P113
并发程序的特征
1. 失去程序的封闭性和可再现性 如果程序执行的结果是一个与时间无关的函数，即具有 封闭性。 若一个程序的执行可改变另一个程序的变量，程序执行 的结果不仅依赖于程序的初始条件，还依赖于程序执行时的 相对速度，在这种情况下就失去了程序的封闭性。 在并发环境中，机内资源状态将由多个程序来改变，因 此使程序的运行失去了封闭性。
(2)v操作 对信号量s的 v操作记为 v(s)。v(s)是一个不可分割的原语 操作，即取信号量值加1，若相加结果大于零，进程继续执行， 否则，要帮助唤醒在信号量等待队列上的一个进程
6.4.1 进程的互斥 6.4.2 进程的同步
6.4 进程的互斥与同步 设：mutex为互斥信号灯，初值为1
main ( ) { int mutex=1; cobegin pa( ); pb( ); pc( ); coend } } { : p(mutex); CSa; v(mutex); : } pa ( ) { : p(mutex); CSb; v(mutex); : } pb ( ) { : p(mutex); CSc; v(mutex); : pc ( )
二. 程序的并发执行
1. 什么是程序的并发执行 若干个程序段同时在系统中运行，这些程序段 的执行在时间上是重叠的，一个程序段的执行尚未 结束，另一个程序段的执行已经开始，即使这种重 叠是很小的一部分，也称这几个程序段是并发执行 的。 例：三个并发执行的程序段。
P Q R
用下图说明在多道批处理系统中，大量操作执 行的先后次序。 讨论：
type semaphore = record value:integer; queue: list of process; End procedure P(var s:semaphore); begin s := s – 1; /* 把信号量减去1 */ if s < 0 then W(s);/* 若信号量小于0，则调用P(s)的进
•
某些进程为完成同一任务需要 分工协作 进程的同步是解决进程间协作 关系(直接制约关系)的手段
•
•
进程同步指两个以上进程基于某个 条件来协调它们的活动。一个进程 的执行依赖于协作进程的消息或信 号，当一个进程没有得到来自于协 作进程的消息或信号时需等待，直 到消息或信号到达才被唤醒
进程互斥关系是一种特殊的进程 同步关系，即逐次使用互斥共享 资源，是对进程使用资源次序上 的一种协调
2. 顺序程序的特征
（1）顺序性：处理机的操作严格按照程序规定的顺 序执行，即只有前一操作结束后，才能启动后一操 作的执行
（2）封闭性：程序在封闭的环境下运行，并独占全 机，因此机内的资源的状态只有运行的程序操作才 能改变它，其执行结果不受外界因素的影响 （3）可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件 相同，程序经多次运行后所得的结果必然相同
在并发环境下
CPU利用率=89% DEV1并发环境下利用=33% DEV2并发环境下利用=66%
在单CPU系统中，系统调度在某一时刻只能让一 个线程(进程)运行，虽然这种调度机制有多种形 式(大多数是时间片轮巡为主)，但无论如何，要 通过不断切换需要运行的线程让其运行的方式就 叫并发(concurrent)。 而在多CPU系统中，可以让两个以上的线程(进 程)同时运行，这种可以同时让两个以上线程同时 运行的方式叫做并行(parallel) 多道程序设计和并发的关系
进程的相互制约关系 并发进程分类：无关的，交互的
无关的并发进程：一组并发进程分 别在不同的变量集合上操作，一个 进程的执行与其他并发进程的进展 无关
并发进程的无关性是进程的执 行与时间无关的一个充分条件
交互的并发进程：一组并发进程共享 某些变量，或者一组进程相互合作;一 个进程的执行可能影响其他并发进程 的结果 与时间有关的错误 执行的相对速度无法相互控制 表现形式： 结果不唯一 例：P111,P113 永远等待 例：死锁
6.3.1 临界区 6.3.2 PV操作
6.3
引例： 宿舍电话的使用 打印机的使用
临界区和PV操作
1. 临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源称为临 界资源 引例中的电话和打印机都属于临界资源。除此之外 ，还有内存变量、指针、数组等等也是临界资源
2、临界区： 每个进程中访问临界资 源的那段程序段称为临 界区（临界段）
2.程序与计算不再一一对应 一个程序的一次执行称为一个计算 在并发的环境下，一个程序可对应多个计算。
在程序顺序执行时，一个程序总是对应一个具体 的计算，但在程序的并发执行时，可能有多用户共享 使用同一个程序，但处理（计算）的对象却是不同的， 例如，在多用户环境下，可能同时有多个用户调用C语 言的编译程序，这就是典型的一个程序对应多个用户 源程序的情况。
I1
C I2
1
(1) 哪些程序段的执 行必须是顺序的？为 什么？
P1
I3
C
2
(2) 哪些程序段的执 行是并行的？为什么？
I4
C
3
P2
2. 表示方法
s0; cobegin s1; s2; …… sn; coend sn+1;
s 0
s 1
s 2
……
s n
Sn+1
在顺序环境下:先A,后B
CPU利用率= 40/80 = 50% DEV1利用率=18.75% DEV2利用率= 31.25%
信号量的物理含义：
S>0表示有S个资源可用； S=0表示无资源可用； S<0则| S |表示S等待队列中的进程个数。
二. 用信号量实现进程的同步
1. 合作进程的执行次序 例1:
main ( ) { pa ( ) { int S=0; : pb ( ) { p(S);
s
Pa
cobegin
:
v(S); } }
:
:
Pb
f }
pa( ); pb( ); coend
例2：
s
Pa
Pb
f
Pc
main ( ) { {
pa ( ) {
pc ( )
int Sac=0;
int Sbc=0; cobegin pa( ); pb( ); : :
:
: : :
:
:
p(Sac);
p(Sbc); : : :
v(Sac);
v(Sbc);
pc( );
coend }
}
}
}
2. 共享缓冲区的合作进程的同步 例1：
cp
iop
缓冲区buf
例 ： 生 产 者 与 消 费 者 问 题
3.程序并发执行的相互制约 在多道程序设计的环境下，程序是并发执行的。 即系统中有多道程序在“同时”执行，这些程序之间 要共享系统的资源，程序之间有合作（通信）的关系。 合作与竞争产生一系列的矛盾，这些矛盾实际上是一 种相互制约，有直接的，也有间接。 （1）资源共享 （2）进程合作 （间接制约关系） （直接制约关系）