操作系统课件-第三章进程管理5(同步和互斥2)
操作系统-进程同步
2.4 进 程 同 步
在OS中引入进程后，一方面可以使系统中的多道程序并 发执行，这不仅能有效地改善资源利用率，还可显著地提高 系统的吞吐量，但另一方面却使系统变得更加复杂。如果不 能采取有效的措施，对多个进程的运行进行妥善的管理，必 然会因为这些进程对系统资源的无序争夺给系统造成混乱。 致使每次处理的结果存在着不确定性，即显现出其不可再现 性。
图2-14 前趋图举例
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第一章 操作系统引论
2.4.5 管程机制 1．管程的定义 系统中的各种硬件资源和软件资源均可用数据结构抽象
地描述其资源特性，即用少量信息和对该资源所执行的操作 来表征该资源，而忽略它们的内部结构和实现细节。
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第一章 操作系统引论
由上述的定义可知，管程由四部分组成：① 管程的名称； ② 局部于管程的共享数据结构说明；③ 对该数据结构进行 操作的一组过程；④ 对局部于管程的共享数据设置初始值的 语句。图2-15是一个管程的示意图。
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第一章 操作系统引论
1. 关中断 关中断是实现互斥的最简单的方法之一。在进入锁测试 之前关闭中断，直到完成锁测试并上锁之后才能打开中断。 这样，进程在临界区执行期间，计算机系统不响应中断，从 而不会引发调度，也就不会发生进程或线程切换。由此，保 证了对锁的测试和关锁操作的连续性和完整性，有效地保证 了互斥。但是，关中断的方法存在许多缺点：① 滥用关中断 权力可能导致严重后果；② 关中断时间过长，会影响系统效 率，限制了处理器交叉执行程序的能力；③ 关中断方法也不 适用于多CPU 系统，因为在一个处理器上关中断并不能防止 进程在其它处理器上执行相同的临界段代码。
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第一章 操作系统引论
2.4.4 信号量的应用 1. 利用信号量实现进程互斥 为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只需为该资源
U035计算机操作系统教程_第四版_(张尧学著)_清华大学出版社_第3章
3.1.2 进程的定义 进程的概念是60年代初期，首先在MIT 的 Multics系 统和IBM 的 TSS/360系统中引用的。从那以来，人 们对进程下过许多各式各样的定义。 (1) 进程是可以并行执行的计算部分（S.E.Madnick， J.T.Donovan）； (2) 进程是一个独立的可以调度的活动（E.Cohen， D.Jofferson）； (3) 进程是一抽象实体，当它执行某个任务时，将要 分配和释放各种资源（P.Denning）； (4) 行为的规则叫程序，程序在处理机上执行时的活 动称为进程（E.W.Dijkstra）；
W(Si)={b1 b2 … bn}，bj(j=1，…，n) 是语句Si在执行期间必须对其进行修改、访问的变量； 如果对于语句S1和S2，有 ① R(S1)∩ W(S2)={∮}， ② W(S1)∩ R(S2)={∮}， ③ W(S1)∩ W(S2)={∮} 同时成立，则语句S1和S2是 可以并发执行的。
(1) 进程是一个动态概念，而程序则是一个静态概念。程序是 指令的有序集合，没有任何执行的含义。而进程则强调执 行过程，它动态地被创建，并被调度执行后消亡。 (2) 进程具有并行特征，而程序没有。由进程的定义可知，进 程具有并行特征的两个方面，即独立性和异步性。也就是 说，在不考虑资源共享的情况下，各进程的执行是独立的， 执行速度是异步的。显然，由于程序不反映执行过程，所 以不具有并行特征。 (3) 进程是竞争计算机系统资源的基本单位，从而其并行性受 到系统自己的制约。这里，制约就是对进程独立性和异步 性的限制。 (4) 不同的进程可以包含同一程序，只要该程序所对应的数据 集不同。
第3章 进程管理
3.1 进程的概念 3.2 进程的描述 3.3 进程状态及其转换 3.4 进程控制 3.5 进程互斥 3.6 进程同步 3.7 进程通信 3.8 死锁问题 3.9 线程 本章小结 习题
os操作系统 operating_system_3
PCB 就绪队列头 链指针
PCB
PCB
PCB的队列结构
§3.4 进程管理
进程从创建到消灭的整个生命期中有
三个基本状态，称为进程调度状态：执行、
就绪、等待。
一、实际上，为了更好地管理和调度进程及适应 系统的功能目标，许多系统中都有“ 挂起” 和“ 解除挂起 ” (即解挂)进程的功能： 1. 系统有时可能出故障或某些功能受到破坏， 这时需要暂时将系统中的进程挂起，以便系 统把故障消除后，再恢复原来状态。
(2) 程序概念已不能反映了系统中的并行特性
例：二个C 源程序，一个C 编译程序完成，
若用程序概念理解，就会认为在主存中 只有一个编译程序运行 (二个源程序只是
编译程序加工的数据)，而无法说清主存
中运行着的二个任务。就是说程序概
念刻划不清这种并行情况，反映不了它
们的活动规律和状态变化。
二、进程的定义
某阻塞表
某阻塞表的 起始地址
PCB4 Blocked
PCB5 Ready
3. 分别把具有相同状态的所有进程PCB按优生数排 成一个或多个(每个优先级一个)队列，这就分别 形成了就绪队列；等待在不同事件上的各等待队 列(等待队列一般不按优先级组织，通常按其到 达的先后次序排列)，如等待打印机的进程队列， 等待主存的进程队列等，采用队列形式时，每个 进程的PCB 中要增加一链指针的表目项，以指向 队列中的下一个进程的PCB起始地址。同表格形 式一样，系统要设置固定单元以指出各队列的头 ––– 队列中第一个进程PCB的起址。
2. 进程与作业的关系 上面我们讲了进程的三个基本状态及其转换， 对于进程是如何产生的，这需要和作业调度、
作业状态联系起来考虑。作业调度程序负责
进程_PV操作
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主要内容：
1. 进程 2. 同步与互斥 3. PV操作与典型问题
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PV操作
1. 信号量的含义 2. 信号量的物理意义 3. 如何用信号量实现同步与互斥
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PV操作
1. 记录型信号量
type semaphore=record value:integer； L:list of process；
资源数目
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哲学家进餐问题--只允许4个同时进餐(6/6)
Var Sm:semaphore := 4； Var chopstick: array[0, …,4] of semaphore； repeat wait(Sm); wait(chopstick[i]); wait(chopstick[(i+1)mod5]); eat; signal(chopstick[(i+1)mod5]); signal(chopstick[i]); signal(Sm); think; until false;
end
end
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PV操作实现同步与互斥
1. 用P、V操作实现进程同步 （1）分析每个进程的执行条件和释放条件， 针对每个执行条件设置一个信号量，其初值 根据初始情况确定。 （2）对每个进程做如下处理： ①在请求条件出执行P（执行条件信号量） ②在释放条件处执行V（释放条件信号量）
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PV操作实现同步与互斥
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主要内容：
1. 进程 2. 同步与互斥 3. PV操作与典型问题
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同步与互斥
1. 同步：多个相关进程在执行次序上的协调 如：单缓冲区 2. 互斥：在多道程序环境下，每次只允许一 个进程对临界资源进行访问 如：打印机
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同步与互斥
第3章 进程同步与通信2
进程写管道
进程向管道写数据时,可能有以下两种情况:
管道中有足够的空间存放要写的数据,此时每写 一数据块后核心便自动增加地址项的大小.写操 作完成后,核心修改索引节点中的写指针,并唤 醒所有因该管道空而睡眠等待的读进程. 管道中无足够的空间存放要写入的数据,此时核 心对该索引节点作标记后让写进程睡眠,等待数 据从管道中排出.上述情况的一个例外是,当进 程写的数据量大于管道的容量时,核心将尽可能 多的数据写到管道中,然后使进程睡眠,直到获 得更多的空间.
pipe文件的建立 文件的建立
pipe系统调用建立一个无名管道.其语法格式如下:
int pipe(fdes); int fdes[2];
核心创建一个管道时须完成下述工作:
分配磁盘和内存索引节点. 为读进程和写进程分配文件表项. 分配用户文件描述符.在读进程和写进程的用户文件描述 符表中,分别分配一个表项,并将文件描述符fdes[0]和 fdes[1]分别返回给读进程和写进程.
设置信号的处理方式
系统调用signal用于设置信号的处理方式.其 语法格式如下: void (* func)( ) signal(sig,func) 其中,func为收到软中断信号sig后进程希望 调用函数的地址. 19类信号如表所示.
func的取值情况
func的取值可以分成三种情况:
func=1时,进程对信号sig不予理睬. func=0时,即缺省处理,对大多数软中断信号的 缺省处理是终止进程. func为其他整数值时,它的值是指向信号处理程 序的指针.
管道通信示意图1
初始时,其长度为4,系统将管道看成一个循环 队列.按先进先出的方式读写.
A out B C D in
写入字符E后,管道长度为5
第三章 计算机操作系统
3.3 进程管理
信号量的使用：
• • • 必须置一次且只能置一次初值 初值不能为负数 只能执行Down、Up操作
用Down、Up操作解决进程间互斥问题
进程 P1 进程 P2 进程 P3 Down(S) Down(S) Down(S) Up(S) Up(S) Up(S)
互斥区
用信号量实现互斥
S的初始值为1 进程 P Down(s) {对共享内存操作} up(s) 进程 Q Down(s) {对共享内存操作} up(s)
3.3 进程管理 3.3.6 进程的同步与互斥
进程的同步就是指相互协作的进程不断调整它们之间的相 对速度，以实现共同有序地推进。 换句话说,在操作系统中，允许多个进程并发运行。然而， 有些进程之间本身存在某种联系，它们在系统中需要一种协作， 以保证进程能正确有序地执行并维护数据的一致性。
例:A、B两进程同步工作如下图（A进程负责从键盘读数据到缓冲区，B进程从缓冲 区取数据并计算。 A进程
• Linux内核源代码情景分析
– 毛德操，胡希明 浙大出版社
• 莱昂斯unix源代码
3.1 操作系统概念及构成 3.1.1 操作系统的概念
操作系统：是管理计算机软硬件资源的程序，同 时它又是用户与计算机硬件的接口。
没有操作系 统，应用软 件如同空中 楼阁，无法 运行。
用户 系统程序和应用程序 操 作 系 统 硬 件 层
用信号量实现互斥解决竞争问题
x, y初始值为10
进程 P: x=x+1 P0. DOWN( S )
S的初始值为1
进程 Q: y=y-1 Q0. DOWN( S )
P1. MOV R0, X
P2. INC R0 P3. MOV X, R0 P4. UP( S ) 此时x=11, y=9
操作系统进程管理
操作系统进程管理操作系统进程管理之总预览（零）处理机管理的主要任务是对处理机的分配和运行实时有效的管理，从传统意义上将，进程是处理机和资源分配的基本单位，因此对处理机的管理可以归纳为对进程的管理。
1、进程的概述2、进程的定义及特征3、进程的状态及描述4、进程控制5、进程同步6、进程通信7、进程调度8、线程9、死锁零测试操作系统进程管理之进程的概述（一）在计算机操作系统中，进程是资源分配的基本单位，也是独立运行的基本单位。
1、引入进程的原因a)在现代计算机操作系统中，内存中通常存放多道程序，这些程序并发执行，为了描述并发程序执行时的特征，引入了进程这个概念。
2、前趋图的定义a)前趋图是一个有向无循环图，用于描述程序、程序段或语句执行的先后次序，每个结点可以表示一个语句、一个程序段或一个进程，结点间的有向边表示两个结点之间存在的前趋关系 ；b)直接前驱：如果Pi->Pj，则称Pi是Pj的直接前驱；c)直接后继：如果Pi->Pj，则称Pj是Pi的直接后继；d)前驱：如果Pi->Pj…->Pk->Pm，则称Pi是Pk的前驱；e)后继：如果Pi->Pj…->Pk->Pm，则称Pk是Pi的后继；f)初始结点：没有前驱的结点称为初始结点（Pi）；g)终止结点：没有后继的结点称为终止结点（Pm）。
3、程序的顺序执行a)定义：一个程序通常由若干个操作组成，这些操作必须按照某种先后次序执行，仅当前一个操作执行完成后才能执行后继操作，这类计算过程就是程序的顺序执行过程。
b)特征：i.顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行，只有当上一个操作完成后，下一个操作才能开始执行；ii.封闭性：程序一旦开始运行，其执行结果不受外界因素影响；iii.可再现性：只要程序执行时的初始条件和执行环境相同，当程序重复执行时，都将获得相同的结果。
4、程序的并发执行a)定义：程序的并发执行是指若干个程序或程序段同时在系统中运行，这些程序或程序段的执行在时间上是重叠的，一个程序或程序段的执行尚未结束，另一个程序或程序段的执行已经开始。
《操作系统》PPT电子课件教案-2024鲜版
提供缓冲区管理
设备管理的目标
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设备管理的功能与目标
方便性
使用户使用设备尽可能方便
均衡性
使CPU与I/O设备负载均衡
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并行性
使CPU与I/O设备并行工作
独立性
使应用程序独立于具体使用的物理设备
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I/O控制方式
程序I/O方式 CPU与设备串行工作，效率低下。
中断驱动I/O方式
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分区存储管理
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分区存储管理的定义 分区存储管理是将内存空间划分为若干个固定大 小的区域，每个区域称为一个分区，每个分区中 可装入一道作业。
分区的划分方法 固定分区和动态分区。
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分区的分配策略 首次适应算法、最佳适应算法和最坏适应算法等。
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页式存储管理
页式存储管理的定义
页式存储管理是将一个进程的逻辑地 址空间划分为若干个大小相等的片， 称为页面或页，并为各页加以编号。 相应地，也把内存空间划分为与页面 相同大小的若干个存储块，称为物理 块或页框，同样加以编号。在为进程 分配内存时，以块为单位将进程中的 若干个页分别装入到多个可以不相邻 接的物理块中。
文件的逻辑结构的分类
包括流式文件、记录式文件。
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文件的物理结构
2024/3/27
文件的物理结构
又称文件的存储结构，是指文件在外 存上的存储组织形式。
文件的物理结构的分类
包括连续文件、链接文件、索引文件。
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文件目录管理
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文件目录的概念
文件目录是记录系统中所有文件的名字及其存放地址的目录表， 表中还包括关于文件的说明信息和控制信息。
计算机操作系统课件(汤子瀛)完整版
计算机操作系统课件(汤子瀛)完整版计算机操作系统课程章节一、引言1.1 课程简介1.2 学习目标章节二、计算机系统概述2.1 计算机系统的组成2.2 计算机硬件2.2.1 CPU2.2.2 存储器2.2.3 I/O设备2.3 计算机软件2.3.1 系统软件2.3.2 应用软件2.4 操作系统的作用章节三、进程管理3.1 进程基本概念3.2 进程状态转换3.3 进程调度算法3.3.1 先来先服务（FCFS）3.3.2 短作业优先（SJF）3.3.3 最高响应比优先（HRRN）3.4 进程同步与互斥3.4.1 临界区3.4.2 信号量3.4.3 互斥量3.5 进程通信3.5.1 管道3.5.2 消息队列3.5.3 共享内存章节四、内存管理4.1 内存管理的基本概念4.2 物理内存管理4.3 逻辑内存管理4.4 虚拟内存管理4.4.1 分页式虚拟存储管理4.4.2 段式虚拟存储管理4.4.3 段页式虚拟存储管理章节五、文件系统5.1 文件系统的基本概念5.2 文件与文件系统的操作5.3 文件的逻辑结构5.4 文件的物理结构5.5 文件的存储空间管理5.6 文件的保护与访问控制章节六、设备管理6.1 设备管理的基本概念6.2 设备的层次结构6.3 设备的分配与释放6.4 设备驱动程序6.5 设备中断处理6.6 设备控制方式6.7 磁盘调度算法6.8RD技术章节七、操作系统安全7.1 安全性的概念7.2 安全性问题与威胁7.3 访问控制机制7.3.1 强制访问控制（MAC）7.3.2 自主访问控制（DAC）7.4 安全性策略7.4.1 安全性功能7.4.2 安全性策略附件：附件一、进程调度算法示例代码附件二、内存管理算法实现代码附件三、设备管理工具包法律名词及注释：1：著作权：法律对创造性表达的原创性作品的保护。
2：版权：著作权人对其作品所享有的专有权利。
3：许可证：允许特定行为或使用的法律文书。
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计算机操作系统课件02-3进程同步
若进程A和B按下述次序交替执行wait操作： process A: wait(Dmutex)； 于是Dmutex=0 process B: wait(Emutex)； 于是Emutex=0 process A: wait(Emutex)； 于是Emutex=-1 A阻塞 process B: wait(Dmutex)； 于是Dmutex=-1 B阻塞
若加1后仍是S.value≤0，则表示在该信号量链表中，仍有等待 该资源的进程被阻塞，故还应调用wakeup原语，将S.L链表中 的第一个等待进程唤醒。
如果S.value的初值为1，表示只允许一个进程访问临界资源， 此时的信号量转化为互斥信号量，用于进程互斥。
3．AND型信号量
上述的进程互斥问题，是针对各进程之间只共享一个临界资 源而言的。在有些应用场合，是一个进程需要先获得两个或 更多的共享资源后方能执行其任务。
……
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