进程互斥与同步应用于排课管理的教学初探
第三章进程管理同步和互斥
{
int value;
PCB *p;
}
18
进
程 管
P(s)和V(s)操作原语
理
void P(s) struct semaphore s; { s.value=s.value-1; if (s.value<0)
block(s.p); }
void v(s) struct semaphore s; { s.value=s.value+1; if (s.value<=0)
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入口
入口
s.value=s.value-1
s.value=s.value＋1
s.value≥0
是
s.value<0 调度进程入等待队列
返回
否
s.value≤0
是 唤醒等待队列中的一个进程
返回
转进程调度 P原语操作功能流程图
返回或转进程调度 V原语操作功能流程图
进
程 管
记录型的信号量机制
理
是一个记录型的数据结构，包含两个数 据项，一是记数值域，另一是等待该信 号量的进程队列首指针域。描述如下：
块长等于缓冲区长度);
2)Pa往缓冲队列发送数据时,至少有一个
缓冲区是空的;
3)由Pa发送的数据块在缓冲队列中按先
进先出(FIFO)方式排列.
描述发送过程deposit (data)和接受过
管 S－1 理 如果S－1以后仍大于等于零，则进程继续进
行 如果S－1以后小于等于零，则将该进程阻塞
以后插入阻塞队列，然后转进程调度
V原语操作的主要动作
S＋1 如果相加后结果大于零，则继续进行 相加后结果小于零，则从该信号的等待队列
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。
OS4进程管理同步与互斥.ppt
运行队列指针 就绪队列指针 阻塞队列1指针 阻塞队列2指针
PCB 0
PCB
PCB
PCB
PCB
PCB
PCB
PCB链接队列示意图
PCB 0
PCB 0
PCB 0
2021/1/30
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PCB表实现：索引方式
• 系统根据所有进程的状态建立几张索引表。
执行指针 就绪表指针 阻塞表指针
就绪索引表 阻塞索引表
PCB1 PCB2 PCB3 PCB4 PCB5 PCB6 PCB7
PCB索引结构示意图
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本讲内容
• 上节回顾 • 进程互斥 • 进程同步 • 进程间通信
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进程互斥
• 进程的并发特性
– 独立性 – 异步性
• 对有限的资源的共享和竞争引起进程的 相互制约
– 临界资源
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临界资源的概念
• 何谓临界资源？
– 两个或两个以上的进程不能同时使用的资 源
• PCB表被系统访问的频率很高，因此是全部或 部分常驻内存的。
• 操作系统专门开辟一个PCB表区，每个PCB是 一片连续的存储单元。
• PCB表组织方式
– 链接方式 – 索引方式
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5
PCB表实现：链接方式
• 链接方式是经常采用的方式。其原理是：按照进程的 不同状态分别将其放在不同的队列。Linux操作系统就 是应用这种进程控制块组织方式。
依然存在竞争条件，不能根
本解决互斥问题致命缺陷：
不具有操作的原子性
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锁变量的缺陷示例
lock ＝ 0
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 -。
操作系统中进程同步和互斥的实现方法
操作系统中进程同步和互斥的实现方法在操作系统中，进程同步和互斥是非常重要的概念。
它们确保了并发程序的正确性和可靠性。
本文将介绍进程同步和互斥的实现方法。
一、进程同步在多任务环境中，不同的进程之间存在着相互依赖和相互制约的关系。
进程同步是为了协调进程之间的交互，使得它们在适当的时间进行合作，共同完成任务。
1. 互斥锁（Mutex）互斥锁是最常见的进程同步机制之一。
它通过给临界资源加锁，保证同一时刻只有一个进程可以访问该资源。
当一个进程占用了互斥锁后，其他进程试图访问该资源时会被阻塞，直到锁被释放。
2. 信号量（Semaphore）信号量是一种更加通用的进程同步机制。
它是一个计数器，用来控制多个进程对共享资源的访问。
当信号量的值大于等于1时，进程可以访问资源；当值为0时，进程被阻塞。
通过对信号量的操作（P/V操作），可以实现进程之间的同步和互斥。
3. 条件变量（Condition Variable）条件变量用于实现进程间的同步和通信。
当一个进程等待某个条件满足时，可以调用条件变量的等待操作来挂起它的执行；当条件满足时，其他进程可以通过唤醒操作通知等待的进程继续执行。
二、进程互斥进程互斥是为了防止多个进程同时访问或修改共享资源而引发的竞争条件和数据不一致问题。
它保证了同一时刻只有一个进程可以对共享资源进行操作，从而避免了竞争和冲突。
1. 临界区（Critical Section）临界区是一段代码，其中包含对共享资源的访问和操作。
为了实现进程的互斥访问，可以使用互斥锁、信号量等同步机制来对临界区进行保护。
一次只允许一个进程进入临界区，其他进程必须等待。
2. Peterson算法Peterson算法是一种经典的实现进程互斥的算法。
它利用了共享的标志和转弯顺序来实现两个进程之间的互斥访问。
然而，Peterson算法只适用于两个进程之间的互斥，对于多个进程之间的互斥并不适用。
3. 同步屏障（Barrier）同步屏障是一种常用的进程互斥机制。
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。
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。
第七讲+进程间的同步与互斥PPT课件
2020/3/26
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进程间通信
进程通信是指进程之间可直接以较高的效率传递 较多数据的信息交换方式。
在进程间传递大量信息需要操作系统提供相应的 机制。
WindowsCE5.0提供的进程间通信机制包括共享 内存、消息传递和管道。
2020/3/26
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管道Pipe
管道 也称共享文件方式，基于文件系统，利 用一个打开的共享文件连接两个相互通 信的进程，文件作为缓冲传输介质。
息队列，消息队列既可以作为在进程之间传递数 据的工具，也可以作为进程之间同步工具。 只占用很小的内存。
2020/3/26
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2.2.5.2 点对点消息队列
Point-to-Point Message Queues,常用的系统模块之间进 行通信的方式
一个先进先出的队列结构
特色
消息可为任意类型的数据 消息队列可用来进行同步 严格按照先进先出的方式 基于点对点的操作，不能进行广播
除了物理设备外，许多变量、数据、表格、 队列等也可以由若干个进程共享使用，但 每时刻仅允许一个进程使用，这些资源也 属于临界资源。
2020/3/26
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临界区critical section
临界区 针对同一临界资源进行操作的程序段，也称 为互斥段。
任一共享进程一旦对临界资源开始操作，则 在该操作结束之前，其它进程就不能对该临 界资源进行处理。也就是说，执行这些操作 的程序段必须是互斥执行的。
运行效率比内核同步对象高
2.2.4.4 Critical Section
应用程序分配的一个数据结构
用来把一段代码标记为临界区，从而保证此区域内部代 码的访问是串行的
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四：进程的管道通信实验题目进程的管道通信实验目的加深对进程概念的理解，明确进程和程序的区别。
学习进程创建的过程，进一步认识进程并发执行的实质。
分析进程争用资源的现象，学习解决进程互斥的方法。
学习解决进程同步的方法。
掌握Linux系统中进程间通过管道通信的具体实现实验内容使用系统调用pipe()建立一条管道，系统调用fork()分别创建两个子进程，它们分别向管道写一句话，如：Child process1 is sending a message!Child process2 is sending a message!父进程分别从管道读出来自两个子进程的信息，显示在屏幕上。
当然，仅仅通过屏幕上输出这两句话还不能说明实现了进程的管道通信，为了能够更好的证明和显示出进程的同步互斥和通信，在其中要加入必要的跟踪条件，如一定的输出语句等，来反映程序的并发执行情况实验要求这是一个设计型实验，要求自行、独立编制程序。
两个子进程要并发执行。
实现管道的互斥使用。
当一个子进程正在对管道进行写操作时，另一个欲写入管道的子进程必须等待。
使用系统调用lockf(fd[1],1,0)实现对管道的加锁操作，用lockf(fd[1],0,0)解除对管道的锁定。
实现父子进程的同步，当父进程试图从一空管道中读取数据时，便进入等待状态，直到子进程将数据写入管道返回后，才将其唤醒。
为了清楚的反应进程的同步，在子进程完成相应的操作后，调用sleep()函数睡眠一段时间（程序中定为3s）。
父进程先执行wait()函数，当有子进程执行完毕后，会得到子进程的返回结果并清理子进程。
若子进程没执行完，父进程一直执行wait()进行监听，知道有一个子进程执行完成为僵尸进程。
程序中用到的系统调用因为程序时在linux系统上进行编写的，所以其中要利用到相关的linux提供的系统调用。
所用到的系统调用包含在如下头文件中。
#include#include#include#include#include#includefork() 用于创一个子进程。
计算机操作系统进程同步与互斥基本理论及问题研究
计算机操作系统进程同步与互斥基本理论及问题研究题目计算机操作系统进程同步与互斥基本理论及问题研究摘要在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，尤其是在他们征用临界资源时。
进程同步包括进程的同步与进程的互斥两个方面。
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的共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。
关键词进程同步、互斥信号量同步问题正文一、关于进程同步的基本理论1、进程同步与互斥概念同步：指多个进程中发生的事件存在着某种时序关系，他们必须按规定时序执行，以共同完成一项任务。
如：4*100接力赛、工厂的流水线、商品的入库和出库等。
互斥：多个进程不能同时使用同一资源。
如：几个同学去图书馆借同一本书、交叉路口抢车道、争抢篮板球等。
2、临界资源与临界区的概念临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。
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。
临界区：不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个进程必须互斥的它进行访问。
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3、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。
当无进程处于临界区时，表明临界资源处于空闲状态，应允许一个请求进入临界区的进程立即进入自己的临界区，以有效地利用临界资源。
2】忙则等待。
当已有进程进入临界区时，表明临界资源正在被访问，因而其它试图进入临界区的进程必须等待，以保证对临界资源的互斥访问。
3】有限等待。
对要求访问临界资源的进程，应保证在有限时间内能进入自己的临界区，以免陷入“死等”状态。
4】让权等待。
当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放出处理机，以免进程陷入“忙等”状态。