操作系统进程同步的教学实践

操作系统进程同步的教学实践李志民1 赵一丁2 底恒3(中原工学院计算机学院，河南郑州 450007)摘要：针对操作系统课程中，存在进程同步内容抽象、难以理解的教学实际，本文在分析进程相互制约关系的基础上，归纳出利用信号量机制实现进程同步、互斥的一般性解题思路，以“生产者-消费者问题”为例阐述了具体的解题步骤，在教学过程中结合基于java多线程的可编程操作代码,通过真实的运行结果把抽象知识变为易理解的知识，取得在理论教学方面提高学生学习兴趣、在实践教学方面提高学生实际动手能力的效果。

关键词：进程；同步；互斥；信号量；多线程中图分类号：G642 文献标识码：A操作系统课程的进程同步问题是该课程的核心知识点,也是学习难点。

解决同步和互斥问题最常用的方法就是信号量机制，通过在程序算法中使用P、V 操作达到同步和互斥的目的［1］，信号量与P、V 操作是低级的同步机构,用它们很难表示复杂的并发性问题，在并发程序中的出现P、V 操作，使得程序正确性证明更加困难［2］。

在教学过程中，发现很多学生对上课所讲的例子大部分都清楚它的算法，可是当遇到一个新的同步与互斥问题，很多学生觉得还是无从下手，感到困惑。

下面以“生产者-消费者问题”为案例，从进程的相互制约关系入手，归纳出进程同步、互斥的解题思路和解题步骤，利用java代码实现多线程同步,把抽象的知识变为具体可理解知识，提高教学效果。

1 进程同步、互斥的一般性解题思路对于进程的同步与互斥问题，学会问题解决的分析过程，理清解决此类问题的解题思路，是很重要的。

《操作系统》课程中利用信号量机制实现进程的互斥和同步，以记录型信号量为例，利用信号量的P、V操作解决进程同步问题的解题步骤，归纳如下：1.1 确定进程数和进程间的制约关系首先，分析待解决的实际问题，提炼出实际问题进程的数量；然后，根据各进程的活动描述，判断进程间的相互制约关系：（1）如果共享某种临界资源，进程间属于间接相互制约关系，称进程互斥；（2）如果进程间的合作带有前趋、后继关系，进程间属于直接相互制约关系，称进程同步；（3）同时存在互斥和同步两种制约关系。

根据这三种制约关系，分别按1.2、1.3、1.4进行处理。

1.2 进程互斥的解题步骤（1）找出临界资源、临界区；（2）为每个临界资源设一个互斥信号量,如mutex，初始值为n；(n是临界资源的个数) （3）在临界区前加入wait(mutex)原语，作为进入区；在临界区后加入signal(mutex)原语,作为退出区；注意：wait(mutex)和signal(mutex)成对出现在同一个进程中。

1.3 进程同步的解题步骤（1）确定进程之间的前趋关系，画出前趋线；（2）为每条前趋线设一个同步信号量,如empty；（3）在前趋线的箭头前插入wait(empty)原语，作为进入区；箭尾后插入signal(empty)原语,作为退出区；（4）同步信号量empty的初始值为n或0；（n为正整数，是申请资源的初始单位数）同步信号量的初值则要根据进程的初始状态确定，具体设置相应的值。

一般情况下：不能率先执行的wait()原语，其信号量初值为0，否则为n；注意：wait(empty)和signal(empty)成对出现在不同进程中。

1.4进程互斥、同步同时存在时的解题步骤（1）如果进程间存在互斥和同步两种制约关系，分别按照2.2和2.3的解题步骤执行；（2）在同一个进程的进入区中可能会出现两个wait()原语，一定要先写同步信号量，后写互斥信号量；否则，可能出现死锁现象；（3）在同一个进程的退出区中可能会出现两个signal()原语，书写顺序没有严格要求；规范的写法是：先写互斥信号量，后写同步信号量；注意：（1）一定要检查两个wait()原语的顺序，不能颠倒；（2）wait()和signal()必须成对出现，否则会出现死锁现象［3］，影响系统性能。

1.5 用类Pacal 语言描述进程同步或互斥算法根据上面几个步骤分析的结果，就可以类Pacal 语言或其它语言实现同步与互斥的算法。

初学者开始时可以按上述步骤解决同步和互斥问题，以上讲述的只是一般的求解规则，有一定的可操作性，但在实际应用中还是要针对具体情况，多做多想，领悟出其中的原理和窍门。

2 基于信号量机制的“生产者--消费者问题”的同步算法以“多生产者-多消费者-多缓冲”问题为例，给出进程同步与互斥的解题步骤。

2.1 确定进程数和进程间的制约关系通过分析就会发现，该问题中生产者、消费者各是一类进程。

并发执行过程如图1所示：表示进程之间的前趋关系图1 生产者-消费者的制约关系两类进程既共享缓冲区计数这一临界资源，又具有“先放再取②→⑴、取后再放⑵→①”的两条前趋关系，进程间同时存在互斥和同步两种制约关系。

2.2 解题步骤2.2.1 进程同步的解题步骤（1）找出临界资源：共享缓冲区的计数；（2）为临界资源设一个互斥信号量,如mutex，初始值为1；（3）在临界区前加入wait(mutex)原语、signal(mutex)原语；2.2.2 进程同步的解题步骤（1）确定进程之间“先放再取、取后再放”的两条前趋关系，画出前趋线；（2）为每条前趋线设一个同步信号量,分别是empty、full；（3）在前趋线的箭头前分别插入wait(empty)、wait(full)，箭尾后插入signal(empty)、signal(full)；（4）同步信号量empty的初始值为n（缓冲区的大小），full的初始值为0；2.2.3 用类Pacal 语言描述进程同步或互斥算法生产者进程：消费者进程：生产一个产品； wait(full)；wait(empty)； wait(mutex)；wait(mutex)；从缓冲区取产品；将产品放入缓冲区；缓冲区计数减1；缓冲区计数加1； signal(mutex)；signal(mutex)； signal(empty)signal(full)；消费；注意：(1)wait(mutex)和signal(mutex)成对出现在同一个进程中。

(2)wait(mutex)和signal(mutex)成对出现在不同进程中。

（3）一定要检查两个wait()原语的顺序，不能颠倒；否则会出现死锁现象，影响系统性能。

3 基于java多线程的“生产者-消费者问题”的同步实现操作系统的课程实验旨在加深学生对理论的理解。

对于进程同步问题,线程是轻型进程, Java为同步线程提供了两个方法:object类的wait()方法和notify()方法。

当线程请求资源而未能满足时,调用wait()方法使线程等待,并将它排在等待队列上; 当线程对资源访问完后,通过notify()方法唤醒等待队列上的线程［4］。

下面是实现生产者-消费者同步的完整的java可运行代码:public class Store {private final int MAX;private int count;public Store(int n){MAX=n; count=0; }public synchronized void addData() throws Exception{ while(count==MAX){this.wait();}count++;System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" add a data:"+count);this.notifyAll();}public synchronized void removeData() throws Exception{while(count==0){this.wait(); }System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" remove a data:"+count);count--;this.notifyAll(); }}class Producer extends Thread{private Store s;public Producer(Store s){this.s=s;}public void run() {while(true){try {s.addData();Thread.sleep(100);} catch (Exception e) {}}}}class Consumer extends Thread{private Store s;public Consumer(Store s){ this.s=s;}public void run(){while(true){try {s.removeData();Thread.sleep(100);} catch (Exception e) {}}}}public class TestPC {public static void main(String[] args) {Store s=new Store(100);Producer p1=new Producer(s);Producer p2=new Producer(s);Producer p3=new Producer(s);Producer p4=new Producer(s);p1.setName("P01"); p2.setName("p02");p3.setName("P03"); p4.setName("p04");p1.start(); p2.start();p3.start(); p4.start();Consumer c1=new Consumer(s);Consumer c2=new Consumer(s);Consumer c3=new Consumer(s);Consumer c4=new Consumer(s);c1.setName("c01"); c2.setName("c02");c3.setName("c03"); c4.setName("c04");c1.start(); c2.start();c3.start(); c4.start();}}编写测试类，同时调用多个生产者线程和消费者线程，由于多线程并发执行，每次的执行结果可能不尽相同，下面分别是4个生产者线程和4个消费者线程两次并发执行的结果，如图2所示：图2 P-C同步的两次运行结果通过多次执行结果的比较，可以直观地理解进程并发的实质，通过案例教学，可以清楚地观察进程互斥和同步的并发执行过程。