第三章 进程控制(2)

即在相关进程的程序里由上锁和开锁原语紧夹着临
界区，就能保证这些进程互斥地进入各自的临界区。
例如，甲、乙两进程要访问同一类临界资源

甲进程：

乙进程： 其他代码；
其他代码；
LOCK（W）；
LOCK（W）；
乙进程的临界区；
甲进程的临界区；
UNLOCK（W）；
UNLOCK（W）；
其他代码；
其他代码；
用上锁用上锁原语和开锁原语来实现进程的互斥 的确很简单，但处理机效率不高，因为上锁原语中 的条件测试操作可能引起CPU“忙等”。
进程同步是多道程序系统中进程之间存在的一种主要源于进
程间合作的制约关系，也称直接制约关系。
父子进程就是典型的合作进程 ：
它们之间的同步关系有时也被形象地称为‚生产者与
消费者‛之间的关系，‚产品‛（即生产者进程的输出，
亦即消费者进程的输入）是它们的纽带，它们在执行过程 中的某个或某些确定的时序点上有着固定的前趋后继的同
3.4 进程的互斥

——你要，我也要
多道程序设计带来的问题 ：
并发执行的多个进程可能产生互斥或同步的相互
制约关系，不采取措施，可能导致结果的不可再现
性。影响系统效率，而且还可以导致系统崩溃。
为此，现代操作系统都在内核中设有进程的互斥 同步机制，以控制并发执行的诸进程能有效的共享 资源和相互合作，同时使并发程序的执行仍具有可 再现性。
一、 互斥的定义

所谓进程互斥，指的是对某个系统资源，一个进程
正在使用它，另外一个想用它的进程就必须等待，
而不能同时使用 。

进程互斥是多道程序系统中进程间存在的一种源于
资源共享的制约关系，也称间接制约关系，主要是
由被共享资源的使用性质所决定的。
一、 互斥的定义

这种限定进程只能互斥地访问它的资源叫临界资源（指一
程序 段 n
共享变 量
一、 互斥的定义
临界区：进程中访问临界资源的那段程序代码称为
临界区或临界段。
使用同一临界资源的不同进程中的临界区称为同类
临界区或相关临界区。
为实现对临界资源的互斥访问，应保证诸进程互斥
地进入各自的临界区。
但无论采用何种方法，都应遵循临界区的使用原则，
即‚空则让进，忙则等待，等则有限，等则让权‛。
进程的临界区的前后分别施以P操作和V操作即可，即在相
关进程的程序里由P操作和V操作原语紧夹着临界区，就能
保证这些进程互斥地进入各自的临界区。
这里所用信号量的初值一般为1，表示临界资源未被占用，
且其可用数目为1。
用P、V操作原语实现进程互斥的效率更高一些，因为P操
作中引入了阻塞机制，所以消除了CPU忙等现象。（lock 原语存在CPU忙等现象）


‚若Pk≥1 ，则将Pk的值减1，卖出一张票，返回
否则打印‘无票’信息，返回‛
如果不加任何限制让这两个程序并发执行的话 ，结果可能会导
致错误，甚至两地各卖出一张重票的现象
三、 用P、V操作原语实现进程的互斥
例3.1 试用P、V操作实现火车联网订票系统中北京、天津 两地的两个终端售票进程发售同一班次车票的过程。
W=0;
void unlock(锁变量w) { w=0; /* 开锁 */ } /* unlock(w) */

返回
当进程使用完资 源后，它必须将锁 位置成“0”，称为 开锁操作。
三、用上锁和开锁原语可以解决并发进程的互斥

任何欲进入临界区的进程，必须先执行上锁原语。 若上锁原语顺利通过，则进程可进入临界区；当完 成对临界区资源的访问后再执行开锁原语，以释放 该临界资源。
量S，另一个分量是个等待队列指针Q （一个是指 向PCB的指针，当多个进程都等待同一信号量时， 它们就排成一个队列，由信号量的指针项指出该队
信号量通常可以简单反映出相应资源的使用情况，它与P，V
操作原语一起使用可实现进程的同步和互斥。
列的头。）
**信号量的整型分量S的值的物理含义：
当S≥0时，表示某类可用资源的数目，或者说表示
一、
同步的定义
进程同步：指的是两个或多个进程为了合作完成同一个任务，
在执行速度或某些个确定的时序点上必须相互协调，即一个 进程的执行依赖于另一个进程——其合作伙伴的消息，当一 个进程到达了某一确定点而没有得到合作伙伴发来的‚已完 成某些操作‛的消息时必须等待，直到该消息到达被唤醒后， 才能继续向前推进。
3.6进程的同步(synchronism)
1.资源共享关系（互斥） 很多进程之间彼此无关，它们并不知道其它进程的存在。 例如在分时系统中，系统分别为每个用户（终端）建立一 个进程。但这些进程既然同处于一个系统中，也就必然存 在着资源共享的关系，如共享CPU和I/O设备等。此时，进 程的主要任务，是保证各个进程能互斥地访问临界资源。 所以，系统中的资源应该不允许用户进程直接使用，而应 该由系统同一分配。例如：在仅有一台打印机的系统中， 两个进程提出打印请求 2.相互合作关系（同步） 例如输入进程、计算进程、打印进程合作完成一批数据的 输入、计算和打印时的关系；中断响应过程；生活中下棋、 看病时等化验结果等等。
次仅允许一个进程使用的资源 ）。

临界资源限定了使用者只能互斥地使用它。 操作系统也不能中途从抢先者手中把临界资源抢来给其他 进程用。 因此，临界资源也是不可剥夺性资源。例：打印机、共享

变量等。
计算机系统中可剥夺性使用的资源主要有CPU、内存和磁
盘等。
一、 互斥的定义
程序 段 1
程序 段 2
④根据顾客订票数修改R1；
⑤将R1的值回写到PK中； ⑥V（S）； ⑦售出顾客所订的票，返回；
天津售票终端进程：
①根据顾客订票要求找到公共数据单元PK； ②P（S）； ③把PK的值读到工作寄存器R2中； ④根据顾客订票数修改R2； ⑤将R1的值回写到PK中； ⑥V（S）； ⑦售出顾客所订的票，返回；
前，应该执行对同一个信号量的P操作，以测试其合作伙
伴——生产者进程‚已完成前趋生产任务‛的消息是否到来， 如果到来就开始消费，否则就阻塞自己。
解答这类进程同步问题的主要步骤也是三大步： (1)分析清楚题目涉及的进程间的制约关系 (2)设臵信号量（包括信号量的个数和初值及其物理含义），
合作进程间需要收发几条消息相应就设臵几个信号量。
3.5 信号量机制
荷兰著名科学家，后来的计算机图灵奖获得
者，E.W.Dijkstra于1965年提出了用作进程同
步工具的信号量（semaphore）机制，这是一 种卓有成效的进程互斥同步工具，已被广泛 应用于现代计算机系统中。
信号量机制的基本原理是：
两个或多个进程可以利用彼此间收发的简
单的信号来实现‚正确的‛并发执行，一 个进程在收到一个指定信号前，会被迫在 一个确定的或者需要的地方停下来，从而 保持同步或互斥。
情况； 进程的互斥和同步统称为进程同步。
差别：进程互斥是进程间共享资源的使用权 ，这种竞争没有
固定的必然联系，哪个进程竞争到使用权就归那个进程使用， 直到不需要使用时再归还；而进程同步则涉及共享资源的并 发进程间有一种必然的联系，当进程必须同步时，即使无进 程在使用共享资源时，那么尚未得到同步消息的进程也不能 去使用这个资源。
唤醒进入就绪队列，返回。
P(S)操作的算法描述Leabharlann P(s)入口S-1=>S
S≥0
N
Y
返回
Block(Q)
V(S)操作的算法描述
V(s)入口
S+1=>S
S>0
N
Y
返回
Wakeup(Q)
注意P（S）操作和V（S）操作的物理含义：
P（S）操作表示‚等信号‛，即测试一个要等的信号是
否 到达；
V（S）操作表示‚发信号‛。这个信号在实现同步时就
是‚合作者的伙伴进程已完成前趋任务‛，在实现互斥 时就是‚临界资源可用‛。
另外，在互斥问题中，每执行一次P（S）操作的含义，
也可理解为进程请求一个单位的S类资源；每执行一次
V（S）操作的含义，也可理解为进程释放一个单位的S类 资源。
三、 用P、V操作原语实现进程的互斥
用P、V操作原语实现进程的互斥也一样简单，只需在相关
主要步骤是：
（1）分析清楚题目涉及的进程间的制约关系。
（2）设臵信号量（包括信号量的个数和初值，
对于同步问题还要写出信号量的物理含义）。
（3）给出进程相应程序的算法描述或流程控
制，并把P、V操作加到程序的适当处。
北京售票终端进程：
①根据顾客订票要求找到公共数据单元PK； ②P（S）； ③把PK的值读到工作寄存器R1中；
二、 上锁和开锁原语

现代操作系统用来实现进程的互斥、同步的
工具有多种，如上锁与开锁原语、信号灯机
制、管程机制等。

上锁与开锁是一种最简单的进程互斥方法，
它使用一个锁变量W来表示某种临界资源的
状态，
W=0表示资源空闲可用
W=1表示资源正被使用
1．上锁原语：LOCK（W）
L1：如果 W=1那 么转向L1;
二、用P、V操作原语实现进程的同步
P、V操作也都是配对出现，但对同一个信号量的P、V操 作却不是同时出现在每一个进程的程序里，而是分别出现在
一个进程和它的合作伙伴的代码中。
而且P、V操作的出现位臵都在各个合作进程中确定的时 序点，即一个生产者进程在完成了前趋的生产任务后，应立 即给合作伙伴——消费者进程发送一条‚已完成前趋生产任 务‛的消息，这要执行V操作；而后继的消费者进程在消费
三、 用P、V操作原语实现进程的互斥