操作系统精髓与设计原理-第5章 并发性_互斥和同步
操作系统同步和互斥
操作系统同步和互斥操作系统中的进程之间的关系只有两种：同步与互斥。
下面由店铺为大家整理了操作系统的同步和互斥的相关知识，希望对大家有帮助!操作系统同步和互斥1.进程同步进程同步也是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。
进程间的直接制约关系来源于他们之间的合作。
比如说进程A需要从缓冲区读取进程B产生的信息，当缓冲区为空时，进程B因为读取不到信息而被阻塞。
而当进程A产生信息放入缓冲区时，进程B才会被唤醒。
2.进程互斥进程互斥是进程之间的间接制约关系。
当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。
只有当使用临界资源的进程退出临界区后，这个进程才会解除阻塞状态。
比如进程B需要访问打印机，但此时进程A占有了打印机，进程B会被阻塞，直到进程A释放了打印机资源,进程B才可以继续执行。
扩展：临界资源在操作系统中，进程是占有资源的最小单位(线程可以访问其所在进程内的所有资源，但线程本身并不占有资源或仅仅占有一点必须资源)。
但对于某些资源来说，其在同一时间只能被一个进程所占用。
这些一次只能被一个进程所占用的资源就是所谓的临界资源。
典型的临界资源比如物理上的打印机，或是存在硬盘或内存中被多个进程所共享的一些变量和数据等(如果这类资源不被看成临界资源加以保护，那么很有可能造成丢数据的问题)。
对于临界资源的访问，必须是互诉进行。
也就是当临界资源被占用时，另一个申请临界资源的进程会被阻塞，直到其所申请的临界资源被释放。
而进程内访问临界资源的代码被成为临界区。
对于临界区的访问过程分为四个部分：1.进入区:查看临界区是否可访问，如果可以访问，则转到步骤二，否则进程会被阻塞2.临界区:在临界区做操作3.退出区:清除临界区被占用的标志4.剩余区：进程与临界区不相关部分的代码临界资源使用规则：忙则等待、优先等待、空闲让进、让权等待(在临界区的进程，不能在临界区内长时间处于事件等待，必须在一定时间退出临界区)。
第4章 并发性：互斥和同步
哲学家进餐问题
管程
管程是一种程序设计语言结构
– 并发Pascal,Pascal-plus,Modula-2, Modula-3和Java等
主要特点:
– 本地变量只能由管程过程访问 – 进程通过调用管程过程进入管程 – 一次只能有一个管程过程在执行(实现互斥) 实现
管程(续)
通过cwait(c), csignal(c) 操作 管程中的条件 变量实现同步
有界缓冲区生产者/消费者问题的 管程解决方案
有界缓冲区生产者/消费者问题的 管程解决方案
消息传递
消息传递是相互合作的并发进程交换信 息的一种高级通信方式
– 进程间的数据交换以消息为单位
基于消息传递原语实现通信:
– 发送消息原语 send(destination, message) – 接收消息原语 receive(source, message)
临界区
二,专门的机器指令
适用范围(前提)
– 单处理器或共享主存多处理器结构 – 对同一存储单元的访问是互斥的
Dekker算法第二种尝试失败的原因
– 如果测 flag[1] 和置位 flag[0] 在一个指令周 期完成就不会出错
Testset 指令 (Test and Set---TS)
定义(逻辑)
boolean testset (int i) { if (i == 0) { i = l; return true; } else return false; }
一个指令周期完成,不会被中断
exchange指令
定义(逻辑)
void exchange(int register, int memory) { int temp; temp = memory; memory = register; register =temp ; }
互斥与同步
互斥与同步互斥与同步是计算机科学中两个重要的概念，它们是多线程编程中必须掌握的知识点。
本文将介绍互斥与同步的概念、原理、实现方式以及应用场景。
一、互斥1.1 概念互斥是指在多线程并发执行时，对于共享资源的访问需要保证线程之间的排他性，即在任意时刻只有一个线程能够访问共享资源。
1.2 原理互斥的实现基于锁机制，即在访问共享资源前获取锁，在使用完毕后释放锁。
这样可以保证在任意时刻只有一个线程能够获得锁，从而避免了多个线程同时访问共享资源造成的数据竞争问题。
1.3 实现方式常见的实现方式包括：（1）临界区：将对共享资源的访问限制在一个代码块内，在进入临界区前获取锁，在离开临界区后释放锁。
（2）信号量：通过计数器来控制同时进入临界区的线程数量，当计数器为0时表示当前没有进入临界区的线程，当计数器大于0时表示当前有进入临界区的线程。
（3）互斥量：是一种特殊的信号量，只能被一个线程获取，其他线程需要等待该线程释放互斥量后才能获取。
1.4 应用场景互斥常用于对共享资源的访问控制，例如多个线程同时访问同一个文件、数据库或网络连接等。
二、同步2.1 概念同步是指在多线程并发执行时，保证线程之间的协调和顺序性，使得程序按照预期的顺序执行。
2.2 原理同步的实现基于信号机制，即在某个条件满足时通知其他线程进行操作。
例如，在生产者-消费者模型中，当生产者生产了数据后需要通知消费者进行消费。
2.3 实现方式常见的实现方式包括：（1）条件变量：通过等待和唤醒操作来实现对某个条件的等待和通知。
（2）事件对象：是一种特殊的条件变量，可以通过事件对象来设置和清除事件状态，并在事件状态发生改变时通知其他线程进行操作。
（3）屏障：是一种同步原语，在多个线程到达屏障点时会被阻塞，直到所有线程都到达后才会继续执行。
2.4 应用场景同步常用于对线程之间的协调和顺序性控制，例如在多个线程之间进行任务分配、消息传递等。
三、互斥与同步的关系互斥和同步是两个相互依存的概念。
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
进程之间同步和互斥是操作系统中常见的概念，它们之间有一定的区别和联系。
同步是指多个进程之间的协调，以便它们能够有序地执行。
同步的目的是保证数据的一致性，避免出现数据竞争的情况。
同步可通过共享变量、信号量等方式实现，实现同步的方法包括互斥、条件变量等。
互斥是一种同步机制，用于保护共享资源，防止多个进程同时访问同一资源。
互斥的实现通常是通过临界区实现的，即对于一段代码，只允许一个进程访问，其他进程需要等待。
互斥能够避免多个进程同时写入共享资源，保证了数据的正确性。
同步和互斥的联系在于它们都是为了保证多个进程之间的协调
和数据的正确性。
同步和互斥都是通过对共享资源进行限制来实现的，区别在于同步是为了保证进程的顺序执行，而互斥是为了保证共享资源的安全性。
总的来说，同步和互斥都是操作系统中非常重要的概念，它们的合理运用可以提高操作系统的性能和稳定性。
- 1 -。
操作系统的并发控制机制
操作系统的并发控制机制在计算机科学中，操作系统是管理计算机硬件和软件资源的系统软件。
它负责协调和控制计算机上多个程序的执行，以及提供用户与计算机硬件的接口。
在多道程序设计中，多个程序可以同时运行，这就引发了并发控制的问题。
为了确保多个程序在同时访问共享资源时能够正确地协同工作，操作系统采用了各种并发控制机制。
本文将介绍几种常见的操作系统并发控制机制。
一、互斥锁互斥锁是一种最常用的并发控制机制，它通过对共享资源进行加锁和解锁的方式来保证同一时间只有一个程序可以访问该资源。
当一个程序需要访问共享资源时，它会尝试获取互斥锁。
如果锁已经被其他程序获取，则当前程序会被阻塞，直到锁被释放。
这种机制有效地防止了多个程序同时写入共享资源，从而避免了数据的不一致性。
二、信号量信号量是另一种常见的并发控制机制，它可以用来限制对共享资源的访问数量。
信号量有一个初始值，并且可以在不同程序之间进行增加和减少操作。
当一个程序需要访问共享资源时，它会尝试对信号量进行减少操作。
如果信号量的值为负数，则该程序会被阻塞，直到信号量的值变为非负数。
而当一个程序释放了共享资源时，它会对信号量进行增加操作，以允许其他程序继续访问共享资源。
三、读写锁读写锁是一种针对读写操作的并发控制机制。
它允许多个程序同时读取共享资源，但只允许一个程序进行写入操作。
读写锁可以提高并发性能，因为多个程序可以同时读取共享资源而无需互斥锁的开销。
当一个程序需要写入共享资源时，它必须获取写入锁，并且在写入期间阻塞其他程序对该资源的读取和写入操作。
读写锁适用于读操作频繁、写操作较少的场景。
四、轮询轮询是一种简单直接的并发控制机制，它也被称为忙等待。
当多个程序需要同时访问共享资源时，它们会通过不断轮询的方式来检查资源是否可用。
如果资源已经被其他程序占用，当前程序会不断重试直到资源可用。
尽管轮询简单易实现，但它会消耗大量的处理器时间，降低了系统的整体性能，因此通常在资源竞争较低的情况下使用。
操作系统实验进程同步与互斥
操作系统实验进程同步与互斥操作系统实验进程同步与互斥实验目的1.掌握进程同步和互斥原理，理解生产者-消费者模型；2.学习Windows2000/xp中的多线程并发执行机制；3.学习使用Windows SDK解决读者－写者问题。
试验内容1依据生产者－消费者模型，在Windows 2000/xp环境下创建一个控制台进程，在该进程中创建n个线程模拟生产者和消费者，实现进程(线程)的同步与互斥，分析、熟悉生产者消费者问题仿真的原理和实现技术。
（见附件2）试验内容2参考实验内容1和附件2伪码，编程解决读者－写者问题的程序。
（具体要求和读写者问题原始伪码内容见附件1）相关知识Windows 2000/XP的线程控制CreateThread完成线程创建，在调用进程的地址空间上创建一个线程，以执行指定的函数；它的返回值为所创建线程的句柄。
ExitThread用于结束当前线程。
SuspendThread可挂起指定的线程。
ResumeThread可激活指定线程，它的对应操作是递减指定线程的挂起计数，当挂起计数减为0时，线程恢复执行。
Windows 2000/XP的进程互斥和同步在Windows 2000/XP中提供了临界区、互斥对象、信号量对象同步对象和相应的系统调用，用于进程和线程同步。
临界区对象(Critical Section)只能用于在同一进程内使用的临界区，同一进程内各线程对它的访问是互斥进行的。
相关API包括：InitializeCriticalSection对临界区对象进行初始化；EnterCriticalSection等待占用临界区的使用权，得到使用权时返回；TryEnterCriticalSection非等待方式申请临界区的使用权；申请失败时，返回0；LeaveCriticalSection释放临界区的使用权；DeleteCriticalSection释放与临界区对象相关的所有系统资源。
互斥对象(Mutex)互斥对象相当于互斥信号量，在一个时刻只能被一个线程使用。
《操作系统精髓与设计原理·第五版》习题答案
第1章计算机系统概述1.1、图1.3中的理想机器还有两条I/O指令：0011 = 从I/O中载入AC0111 = 把AC保存到I/O中在这种情况下，12位地址标识一个特殊的外部设备。
请给出以下程序的执行过程（按照图1.4的格式）：1.从设备5中载入AC。
2.加上存储器单元940的内容。
3.把AC保存到设备6中。
假设从设备5中取到的下一个值为3940单元中的值为2。
答案：存储器（16进制内容）：300：3005；301：5940；302：7006步骤1：3005－>IR；步骤2：3－>AC步骤3：5940－>IR；步骤4：3＋2＝5－>AC步骤5：7006－>IR：步骤6：AC－>设备61.2、本章中用6步来描述图1.4中的程序执行情况，请使用MAR和MBR扩充这个描述。
答案：1. a. PC中包含第一条指令的地址300，该指令的内容被送入MAR中。
b. 地址为300的指令的内容（值为十六进制数1940）被送入MBR，并且PC增1。
这两个步骤是并行完成的。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
2. a. 指令寄存器IR中的地址部分（940）被送入MAR中。
b. 地址940中的值被送入MBR中。
c. MBR中的值被送入AC中。
3. a. PC中的值（301）被送入MAR中。
b. 地址为301的指令的内容（值为十六进制数5941）被送入MBR，并且PC增1。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
4. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。
b. 地址941中的值被送入MBR中。
c. AC中以前的内容和地址为941的存储单元中的内容相加，结果保存到AC中。
5. a. PC中的值（302）被送入MAR中。
b. 地址为302的指令的内容（值为十六进制数2941）被送入MBR，并且PC增1。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
6. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。
同步与互斥实现方法
同步与互斥实现方法一、同步与互斥的概念同步是指多个线程或进程之间按照一定的顺序执行，以达到其中一种约定或要求。
在同步的过程中，程序等待其他线程或进程完成一些操作后再继续执行。
互斥是指多个线程或进程之间访问共享资源时，要互相排斥，避免冲突和竞争。
互斥的目的是保证多个线程或进程对共享资源的操作是互斥的，即同一时刻只有一个线程或进程可以访问共享资源。
二、实现同步的方法1. 互斥锁（Mutex）互斥锁是一种最常用的同步机制，通过对一些代码块或函数的访问加上互斥锁的操作，可以保证只有一个线程能够执行该代码块或函数。
当一些线程获得互斥锁时，其他线程在获得该锁之前会被阻塞。
2. 信号量（Semaphore）信号量是一种更为复杂的同步机制，用于实现一些资源的访问控制。
一个信号量有一个整型值和两个原子操作：P和V。
P操作（也称为wait或down）会使信号量的值减1，如果值小于0，当前线程或进程就会被阻塞。
V操作（也称为signal或up）会使信号量的值加1，如果值小于等于0，就会唤醒等待的线程或进程。
信号量可以用于解决生产者-消费者问题、读者-写者问题等并发编程中的资源竞争问题。
3. 条件变量（Condition Variable）条件变量是一种同步机制，用于在多个线程或进程之间同步共享资源的状态。
条件变量对应一个条件，并提供了等待和通知的机制。
等待操作可以使一个线程或进程等待一些条件成立，直到其他线程或进程通知条件变量，使得等待的线程或进程被唤醒。
通知操作可以使等待中的线程或进程被唤醒，继续执行。
条件变量常和互斥锁一起使用，互斥锁用于保护共享资源，条件变量用于同步共享资源的状态。
三、实现互斥的方法1. Peterson算法Peterson算法是一种经典的软件方法，用于解决两个进程之间的互斥访问问题。
该算法使用了两个布尔型变量flag和turn，通过交替使用这两个变量，实现了两个进程之间的互斥。
2. 印章（Semaphores）信号量也可以用于实现互斥操作。
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第五章并发性：互斥和同步复习题：5.1列出与并发相关的四种设计问题答：进程间的交互，共享资源之间的竞争，多个进程的同步问题，对进程的处理器时间分配问题5.2列出并发的三种上下文答：多个应用程序，结构化应用程序，操作系统结构5.3执行并发进程的最基本要求是什么？答：加强互斥的能力5.4列出进程间的三种互相知道的程度，并简单地给出各自的定义。
答：进程间互相不知道对方：这是一些独立的进程，他们不会一起工作。
进程间间接知道对方：这些进程并不需要知道对方的进程ID号，但他们共享访问某些对象，如一个I/O缓冲区。
进程间直接知道对方：这些进程可以通过进程ID号互相通信，用于合作完成某些活动。
5.5竞争进程和合作进程进程间有什么区别。
答：竞争进程需要同时访问相同的资源，像磁盘，文件或打印机。
合作进程要么共享访问一个共有的资源，像一个内存访问区，要么就与其他进程相互通信，在一些应用程序或活动上进行合作。
5.6列出与竞争进程相关的三种控制问题，并简单地给出各自的定义。
答：互斥：竞争进程仅可以访问一个临界资源（一次仅有一个进程可以访问临界资源），并发机制必须满足一次只有一个进程可以访问临界资源这个规则。
死锁：如果竞争进程需要唯一的访问多于一个资源，并且当一个进程控制着一个进程，且在等待另一个进程，死锁可能发生。
饥饿：一组进程的一个可能会无限期地拒绝进入到一个需要资源，因为其他成员组成垄断这个资源。
5.7列出对互斥的要求。
答：1.必须强制实施互斥：在具有关于相同资源或共享对象的临界区的所有进程中，一次只允许一个进程进入临界区。
2.一个在临界区停止的进程必须不干涉其他进程。
3.绝不允许出现一个需要访问临界区的进程被无限延迟的情况，即不会饿死或饥饿。
4.当没有进程在临界区中时，任何需要进入临界区的进程必须能够立即进入。
5.对相关进程的速度和处理器的数目没有任何要求和限制。
6.一个进程驻留在临界区中的时间是有限的。
5.8在信号量上可以执行什么操作。
答：1.一个信号量可以初始化成非负数。
2.wait操作使信号量减1，如果值为负数，那么进程执行wait就会受阻。
3signal操作使信号量增加1，如果小于或等于0，则被wait操作阻塞的进程被解除阻塞。
5.9.二元信号量与一般信号量有什么区别。
答：二元信号量只能取0或1，而一般信号量可以取任何整数。
5.10强信号量与弱信号量有什么区别。
答：强信号量要求在信号量上等待的进程按照先进先出的规则从队列中移出。
弱信号量没有此规则。
5.11.什么是管程。
答：管程是由一个或多个过程，一个初始化序列和局部数据组成的软件模块。
5.12对于消息，有阻塞和无阻塞有什么区别？答：5.13.通常与读者-写者问题相关联的有哪些条件？答：1.任意多的读进程可以同时读这个文件，2.一次只有一个写进程可以往文件中写，3.如果一个写进程正在往文件中写时，则禁止任何读进程读文件。
习题：5.1答：b.协同程序read读卡片，将字符赋给一个只有一个字大小的缓冲区rs然后在赋给squash 协同程。
协同程序Read在每副卡片图像的后面插入一个额外的空白。
协同程序squash不需要知道任何关于输入的八十个字符的结构，它简单的查找成对出现的星号，然后将更改够的字符串经由只有一个字符大小的缓冲sp，传递给协同程序print。
最后协同程序print简单的接受到来的字符串，并将他们打印在包含125个字符的行中。
5.2．考虑一个并发程序，它有两个进程p和q，定义如下。
A.B.C.D和E是任意的原子语句。
假设住程序执行两个进程的parbeginVoid p() void q(){ A; { D;B; E;C; }}答：ABCDE;ABDCE;ABDEC;ADBCE;ADBEC;ADEBC;DEABC;DAEBC;DABEC;DABCE; 5.3考虑下面的程序const int n=50;int tally;void total(){ int count;for(count =1;count <=n;count ++){tally++;}}void main(){tally =0;parbegin(total(),total();write(tally);}答：a.随意一看,tally值的范围好像是落在[50,100]这个区间里,因为当没有互斥时可以从0直接增加到50.这一基本论点是当并发的运行这两进程时,我们不可能得到一个比连续执行单一某进程所得tally值还低的一个最终tally值.但是考虑下面由这两进程按交替顺序执行载入,增加,存储的情况,同时变更这个共享变量的取值:1.进程A载入tally值,tally值加到1,在此时失去处理器(它已经增加寄存器的值到1,但是还没有存储这个值).2.进程B载入tally值(仍然是0),然后运行完成49次增加操作,在它已经将49这个值存储给共享变量tally后,失去处理器控制权.3.进程A重新获得处理器控制权去完成它的第一次存储操作(用1去代替先前的49这个tally值),此时被迫立即放弃处理器.4.进程B重新开始,将1(当前的tally值)载入到它自己的寄存器中,但此时被迫放弃处理器(注意这是B的最后一次载入).5.进程A被重新安排开始,但这次没有被中断,直到运行完成它剩余的49次载入,增加和存储操作,结果是此时tally值已经是50.6.进程B在它终止前完成仅有的最后一次增加和存储操作.它的寄存器值增至2,同时存储这个值做为这个共享变量的最终结果.一些认为会出现低于2这个值的结果,这种情况不会出现.这样tally值的正确范围是[2,100].b.对一般有N个进程的情况下,tally值的最终范围是[2,N*50],因为对其他所有进程来说,从最初开始运行到在第五步完成.但最后都被进程B破坏掉它们的最终结果.5.4.忙等待是否总是比阻塞等待效率低（根据处理器的使用时间）？请解释。
答：就一般情况来说是对的,因为忙等待消耗无用的指令周期.然而,有一种特殊情况,当进程执行到程序的某一点处,在此处要等待直到条件满足,而正好条件已满足,此时忙等待会立即有结果,然而阻塞等待会消耗操作系统资源在换出与换入进程上.5.5考虑下面的程序boolean blocked[2];int rurn;void P(int id){While (true){While(turn!=id);{While(blocked[1-!id]/*do nothing*/;Turn =id;}}Void main (){Blocked[0]=false;Blocked[1]=false;Turn=0;Parbegin(P(0),P(1));}这是【HYMA66】中提出的解决互斥问题的一种方法。
请举出证明该方法不正确的一个反例。
答：考虑这种情况:此时turn=0,进程P(1)使布尔变量blocked[1]的值为true,在这时发现布尔变量blocked[0]的值为false,然后P(0)会将true值赋予blocked[0],此时turn=0,P(0)进入临界区,P(1)在将1赋值给turn后,也进入了临界区.5.6解决互斥的另一种软件方法是lamport的面包店（bakery）算法，之所以起这个名字，是因为它的思想来自于面包店或其他商店中，每个顾客在到达时都得到一个有编号的票，并按票号依次得到服务，算法如下：Boolean choosing[n];Int number[n];While (true){Choosing[i]=true;Number[i]=1+getmax(number[],n)；Choosing[i]=false;For(int j=0;j<n;j++){While (choosing[j]){}While ((number[j]!=0)&&(number[j],j)<(number[i],i){}}/*critical section*/Number[i]=0;/*remainder*/;}数组choosing和number分别被初始化成false和0，每个数组的第i个元素可以由进程i读或写，但其他进程只能读。
符号（a，b）<（c，d）被定义成（a，c）或（a=c且b<d）A．用文字描述这个算法。
B．说明这个算法避免了死锁。
C．说明它实施了互斥。
答：a.当一个进程希望进入临界区时,它被分配一个票号.分配的票号是通过在目前那些等待进入临界区的进程所持票号和已经在临界区的进程所持票号比较,所得最大票号再加1得到的.有最小票号的进程有最高的优先级进入临界区.当有多个进程拥有同样的票号时,拥有最小数字号进入临界区.当一个进程退出临界区时,重新设置它的票号为0.b.如果每个进程被分配唯一的一个进程号,那么总会有一个唯一的,严格的进程顺序.因此,死锁可以避免.c.为了说明互斥,我们首先需要证明下面的定理:如果Pi在它的临界区,Pk已经计算出来它的number[k],并试图进入临界区,此时就有下面的关系式: ( number[i], i ) < ( number[k], k ).为证明定理,定义下面一些时间量:Tw1:Pi最后一次读choosing[k], 当j=k,在它的第一次等待时,因此我们在Tw1处有choosing[k] = false.Tw2:Pi开始它的最后执行, 当j=k,在它的第二次while循环时,因此我们有Tw1 < Tw2.Tk1:Pk在开始repeat循环时;Tk2:Pk完成number[k]的计算;Tk3: Pk设置choosing[k]为false时.我们有Tk1<Tk2<Tk3.因为在Tw1处,choosing[k]=false,我们要么有Tw1<Tk1,要么有Tk3<Tw1.在第一种情况中,我们有number[i]<number[k],因为Pi在Pk之前被分配号码;这个满足定理条件.在第二种情况中,我们有Tk2 < Tk3 < Tw1 < Tw2,因此有Tk2<Tw2.这意味着在Tw2时,Pi已经读了当前number[k]的值.而且,因为Tw2是当j=k第二次while循环执行发生的时刻,我们有(number[i], i ) < ( number[k], k),这样完成了定理的证明.现在就很容易说明实施了互斥.假定Pi在临界区,Pk 正试图进入临界区.Pk将不能进入临界区,因为它会发现number[i]不等于0,并且( number[i], i ) < ( number[k], k ).5.7当按图5.2的形式使用一个专门机器指令提供互斥时，对进程在允许访问临界区之前必须等待多久没有控制。