一种分布式操作系统中k个资源的互斥算法
进程同步互斥算法
进程同步互斥算法一、什么是进程同步和互斥说到进程同步和互斥，咱们得先聊聊什么是“进程”这个东西。
进程其实就像是咱们做事的“任务”，大家可以想象一下，进程就像是你手上的一堆待办事项，每一个待办事项都是一个进程，大家一起在执行，各自独立，但又得协调好，免得乱了套。
比如说，你在做饭、你朋友在洗碗，你爸在修理车，大家都在忙各自的活，可是有个问题：万一厨房里只有一个锅，大家都要用，那锅就得排队了，谁先谁后得有个规定，这样才能避免抢锅。
这里面就涉及到“同步”和“互斥”两个概念。
同步嘛，简单说就是大家都得按规则一起做某件事，不能随便。
比如大家一起等着锅热好再开始做菜，谁也不能提前。
互斥呢，就是谁也不能和别人抢一样的资源，譬如锅，咱们只有一个锅，大家不能都抢着用，得排队。
进程同步就是为了确保大家按时按规矩做事，进程互斥则是为了避免资源争抢，免得弄得鸡飞狗跳。
二、进程同步和互斥的经典算法说到这些，大家可能会问了：“那这个同步互斥咋实现呢？难不难？”放心，实际上有一些经典的算法，可以帮助咱们“巧妙”地安排这些进程，避免乱成一团。
最常见的就是“信号量”和“互斥锁”了。
这个信号量就像是一个特殊的钥匙，钥匙多了，大家就可以同时干活；钥匙少了，只有一个进程能获得权限。
信号量常分为二值信号量和计数信号量，二值信号量就像是一个“开关”，要么开，要么关；而计数信号量则能控制更多的进程进入临界区，控制进程的数量。
还有一个很有意思的东西叫“互斥锁”。
就好比家里那扇门，只有一个人能进去，大家得排队。
这个锁一旦被某个进程拿走，其他的进程就只能在外面干等着，直到这个进程放下锁。
这个“锁”能够确保一次只有一个进程进入临界区，免得发生资源争夺，搞得大家都不开心。
你可以想象一下，假如没有锁，大家都想进入那扇门，结果就乱套了。
大家都开始推推搡搡，那锅估计就要掉了，菜也没法做。
三、进程同步与互斥的实际应用可能有些小伙伴会觉得这些术语有点难懂，其实它们的应用离我们生活可不远。
分布式系统中的资源分配与负载均衡(九)
分布式系统中的资源分配与负载均衡在当今互联网时代，分布式系统已经成为了实现高性能、高可扩展性的关键技术。
在分布式系统中，资源分配和负载均衡是至关重要的问题，对于系统的性能和稳定性起着决定性的作用。
本文将从资源分配和负载均衡两个方面探讨分布式系统的关键问题，并介绍一些常见的解决方法。
一、资源分配资源分配是分布式系统中的一个重要问题，指的是将系统中的有限资源分散到不同的节点上，以满足用户的需求和系统的稳定性。
有效的资源分配可以提高系统的利用率和性能。
1. 资源调度算法资源调度算法是实现资源分配的关键技术之一。
常见的调度算法包括最早截止时间优先算法（EDF）、最短作业优先算法（SJF）等。
这些算法通过合理的任务调度策略，将任务分配到不同的节点上执行，以达到最优的资源利用效果。
2. 资源分配的动态性在分布式系统中，资源的需求是动态变化的，因此资源分配也需要具备一定的动态性。
一种常见的做法是引入资源预留机制，将部分资源预留给系统的特定任务，以应对突发的资源需求。
此外，还可以采用自动化的资源调整机制，根据系统的负载情况和性能指标，动态调整资源分配策略，以实现更加优化的资源利用。
二、负载均衡负载均衡是分布式系统中的另一个重要问题，指的是将用户请求分配到不同的节点上，以实现资源的均衡使用和提高系统的可扩展性。
1. 请求分发算法负载均衡系统通常采用请求分发算法来实现。
常见的请求分发算法包括轮询、最少连接、哈希等。
这些算法通过将用户请求轮流分发到不同的节点上，有效平衡了节点的负载，提高了系统的性能。
2. 反馈机制为了应对节点负载不均衡的问题，负载均衡系统通常采用反馈机制来实时监控节点的负载情况，并根据负载情况进行相应的调整。
例如，当一个节点的负载过高时，系统可以将新的请求分发到负载较低的节点上，以实现负载的平衡。
3. 动态负载均衡算法随着分布式系统规模的增大和用户请求的增加，静态负载均衡算法已经不能满足实际需求。
因此，研究人员提出了一系列动态负载均衡算法，如基于反馈的负载均衡算法、基于预测的负载均衡算法等。
操作系统同步与互斥浅谈
操作系统同步与互斥浅谈——基于经典案例“理发师问题”摘要：并发是所有问题的基础，也是操作系统设计的基础。
并发包括很多设计问题，其中有进程中的通信、资源共享和竞争、多个进程活动的同步以及分配给进程的处理器时间等。
本文围绕经典操作系统案例“理发师问题”介绍并发中同步与互斥的基本概念和多个进程并发执行的简单案例，重点介绍信号量与消息传递机制。
关键字：操作系统并发同步互斥理发师问题Abstract：Concurrency is the basis of not only all the problems, but also the operating system design. Complicated, it includes many design issues, about the process of communication, resource sharing and competition, the activities of multiple processes simultaneously and the allocation of processor time to the process. This article describes the basic concepts of concurrency and the simple case of concurrent execution of multiple processes around the classic case of "Sweeney problem ", focusing on semaphores and message passing.Key word：Operating system Concurrency Synchronization mutual exclusion Sweeney problem 1.进程间怎么通信？——并发的基本知识1.1 进程间进行通信的原因进程是多用户、多任务操作系统必不可少的基本功能和基础设施。
计算机操作系统-第9章分布式操作系统
9.1 概述
分布式软件系统(Distributed Software Systems)是支持分布式处理的软件系统, 是在由通信网络互联的多处理机体系结构 上执行任务的系统。它包括分布式操作系 统、分布式程序设计语言及其编译(解释) 系统、分布式文件系统和分布式数据库系 统等。 分布式操作系统负责管理分布式处理系统 资源和控制分布式程序运行。它和集中式 操作系统的区别在于资源管理、进程通信 和系统结构等方面。
9.3分布式系统的死锁
互斥使用 系统中存在一次只能给一个进程 使用的资源。 占用并等待 系统中存在这样的进程，它（ 们）已占有部分资源并等待得到另外的 资源，而这些资源又被其它进程所占用 还未释放。 非抢占分配 资源在占有它的进程资源交出 之前，不可被其它进程所强行占用。 循环等待 在一定条件下，若干进程进入了 相互无休止地等待所需资源的状态。
9.3分布式系统的死锁
图(a)中，一个较老的进程想得到一个被新 进程占用的资源。图(b)中，—个新进程 想得到被较老进程占用的资源。一种情况 应该允许进程等待，另一种情况应该中止 进程。假设标记(a)为中止(b)为等待。这 种算法称为等-死算法(wait-die)。
9.3分布式系统的死锁
图9-8中的情况，允许抢先的存在。图9-8(a) 而不是图9-8(b)被标记为抢先，标记图98(b)为等待。这种算法称为伤-等算法 (wound-wait)
9.2分布式系统的互斥
节点退出临界区时，也必须向协调进程发消 息报告自己已经退出临界区，再由协调进 程通知其它等待进入临界区的节点进入临 界区。以下通过图9-1说明这一过程：
9.2分布式系统的互斥
该算法虽然简单，但是也存在缺点 : 协调进程是一个单点故障，如果它崩溃，整 个系统将瘫痪。 如果进程在请求之后被阻塞，消息丢失，请 求者不能从“拒绝请求”中辨认出协调 进程已崩溃。 大系统中单协调者会成为系统执行的瓶颈， 降低系统的处理能力。
分布式互斥算法的研究与改进
胡吉 明 ， 毕 伟
（ 河海大学计算机及信 息工程 学院， 江苏 南京 ２０９ ） １０ ８ 摘 要 ： 几种基于令牌算法的基础上 ， 出了一个 对网络逻辑结构无要 求的分布式互斥算法。算法不但 能 够在 逻辑 结构 在 提
无要求 的计 算机 网络 中通过发 送消息和传递 令牌 来同步对 临界 资源的访 问， 而且 可以很好地解决请 求丢失 、 牌丢 失等 令 问题 。通过 对算 法的性 能进行 分析验证 了该 算法是 高效 的， 并给出了正确性证 明。 关键词 ： 分布式互斥算法 ； 令牌 ； 临界资源 ； 临界 区 中图分类号 ：Ｐ０ ． Ｔ ３１６ 文献标识码 ： Ａ Ａ ｋ ｎ ｂ ｓ ｄ Ｄｉｔｉ ｕ ｅ ｕ ｕ ｌＥｘ ｌ ｓｏ ｇ ｒｔ ｍ Ｔｏ ｅ － ａ ｅ ｓｒｂ ｔ ｄ Ｍ ｔ ａ ｃｕ ｉ ｎ Ａｌ ｏ ｉｈ
ｅｅ ｈ ｌｏｉ ｍ ｆ ｒ ｉ ｒｖ ｄ ｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ａ ｄ ｔｅ ｃ ｒ ｃｎ ｓ ｆ ｈ ｌｏｉ ｍ ｌ ｒ ｖ ｄ ｒ ．Ｔ ｅ ａｇ ｒ ｈ ｏ ｅｓ ｍｐ ｏ ｅ ｅｆ ｍａ ｃ ｎ ｏｒ ｔｅ ｓｏ ｔ ｅ ａ ｒ ｈ ｉ ａ ｏ ｐ ｏ ｅ ． ｔ ｏ ｈ ｅ ｇ ｔ ｓ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ｄ 蜘 ｎ ｄ ｍｕｕ ｌｅ ｄｕ ｉｎ ａ ｏ ｔｍ；ｏ ｅ ； ｒ ｉａ ｒｓ ｕｃ ； ｒ ｉａ ｅ ｄ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｅ ｔａ ｘ ｓｏ ｌ ｒ ｈ ｔ ｎ ｃｉ ｃ ｌ ｅ ｏ ｒｅ ｃ ｉｃ ｌｓｃ ０ ｇｉ ｋ ｔ ｔ
互斥方案 举例
互斥方案举例互斥方案是指在某个系统或过程中，对于一定资源或操作的排他性控制。
它可以保证每次只有一个进程或线程能够访问共享资源，从而避免数据冲突和不一致的情况发生。
在计算机科学中，互斥方案是非常重要的，下面将通过几个具体的例子来说明互斥方案的应用。
例一：银行系统中的账户操作在现代银行系统中，许多用户同时进行转账或查询操作。
如果没有互斥方案的控制，那么很容易发生账户余额错误、重复转账等问题。
因此，在银行系统中引入互斥方案来解决这个问题是非常必要的。
一种常见的互斥方案是使用锁机制。
每个账户对象会有一个与之对应的锁，当某个用户进行转账操作时，必须先获取该账户的锁，才能进行账户余额的修改。
在此期间，其他用户对同一账户的操作将被阻塞，直到锁被释放。
这样就保证了每次只有一个用户能够对账户进行操作，避免了数据不一致的问题。
例二：多线程编程中的资源共享在并发编程中，多个线程可能同时访问共享的数据结构或变量。
如果不采取互斥方案，那么很容易导致数据竞争和结果不确定性。
一种常见的互斥方案是使用互斥量（Mutex）。
互斥量是一种同步原语，当一个线程获取到互斥量时，其他线程对该互斥量的操作将被阻塞，直到该线程释放互斥量。
通过在关键代码段前后加上互斥量的锁定和解锁操作，可以保证共享资源的安全访问。
例如，在一个多线程程序中，多个线程需要同时操作一个共享的全局变量。
可以定义一个互斥量来保护该变量，每个线程在访问该变量前获取互斥量的锁，完成操作后释放锁。
这样就能够保证每次只有一个线程对该变量进行修改，避免了数据竞争问题。
例三：操作系统中的进程调度在操作系统中，多个进程同时运行，操作系统需要合理调度这些进程的执行。
如果没有互斥方案，很容易导致进程之间的相互干扰和运行时错误。
一种常见的互斥方案是引入进程调度算法。
操作系统根据一定的策略和优先级来决定每次调度哪个进程执行。
这样可以避免多个进程同时竞争CPU资源造成不稳定和混乱的情况发生。
互斥算法--几个基本概念
Maekawa算法
• 基本思想
– 将进程分成多个请求子集，要求这些集合两 两相交。进程Pi只要得到所属集合中其它进 程的应答即可访问共享资源。由于这些交集 构成了集合间相互的访问制约关系，因此可 以达到互斥控制的目的。
东南大学 1 东南大学 2
互斥算法－－条件和性能参数
• 互斥算法必须满足
– 无死锁－当资源可用时进程不应该永远等待 – 无饥饿现象－每个对资源的访问请求最终都应能得 到满足 – 公平性－进程对资源访问权的获得应是相对公平的
一些假设
• 进程内部是顺序的 • 进程之间通过消息传递通信 • 通信对象是直接可达的 • 无传输错误 • 通信是异步的，传输延迟有限但不可预测 • 通信采用FIFO方式
东南大学 14
• 死锁问题
– 需要在等待中作进一步 的消息交换，然后依据 时戳等参数来解除死锁 （要求优先级低的放弃 请求）
作业
• 13个进程共享一个资源，用Maekawa算 法来支持互斥，请划分进程请求子集 • 本次作业12月13日交
基于权标的分布式互斥算法
东南大学 15
东南大学 16
权标的概念
• 应答消息是一次性的授权，再次使用资源 时需要重新申请；而权标是固定的授权， 拥有方可以反复使用这个授权，直至授权 方收回（例如通过一个请求消息）。 • 权标的实现可有多样性
东南大学 13
Maekawa算法的实现
• 理想的请求集
– 任何两个子集均恰有一 个公共进程 – 各子集应尽可能等长 n = k(k-1) + 1
第6章互斥问题和选举算法
（3）当进程释放该资源后，向所有被暂存的请求发送一 个确认消息并删除暂存队列。
Ricart和Agrawala互斥算法
• 要求分布式系统的所有事件是全序的，进程按请求的顺序 获得对公区的访问。 • 进程若未收到所有的应答，就表明有优先级更高的请求存 在。 • 交换的消息数量降至2(n-1)个
t11 t12
基于令牌的互斥算法
• R i c a r t和A g r a w a l a提出了进一步改进：进 入临界区的进程保留令牌。 • 初始时，令牌被赋予任意一个进程Pi。 • 进程 Pj通过向其他进程广播一个带时戳的消息来 请求令牌。 • 如果当前拥有令牌的进程 Pi不再需要使用临界区， 它就按照i＋1, i＋2, …, n, 1, 2, …, i－1的顺序搜 索其他进程 • 找出第一个进程Pj，满足条件：Pj最后一次请求令 牌的时戳大于在令牌中记录的 Pj最后一次拥有令 牌的时戳。 • 当满足以上条件时，Pi把令牌传递给Pj。
一个例子
改进的Lamport互斥算法
Ricart和Agrawala互斥算法
（1）当进程Pi需要占用公区时，向所有进程发送请求，对 于K-互斥问题，请求消息包括公区号、进程号和时间戳。 接收进程Pj收到请求消息后，执行如下操作： 如果Pj没有占用该公区也没有申请使用它，则向请求进程 发送一个确认消息。 如果Pj正在使用该公区，则不发送确认消息，暂存请求消 息。 如果Pj正在申请使用该公区，则比较请求消息时间戳与本 身请求时间戳的大小，时间戳小者优先。若Pi的时间戳小， 则Pj发送一个确认消息，若Pj的时间戳小，则Pi不发送确认 消息。 （2）当进程Pi收到所有其他进程发来的响应时，便可访 问该资源。
分布式系统中的互斥
互斥资源的使用论文
1 集中式与分布式互斥资源的使用 摘要：本文对集中式操作系统与分布式操作系统中的同步互斥机制进行深一步的探讨。无论是集中式还是分布式系统中，为了实现多进程有效共享系统中的各类资源，都需要用同步机构进行互斥控制系统进行资源的调度和管理。在淡季集中式系统中通常使用信号灯以及P-V操作进行同步控制并实现互斥算法，而在分布式系统中使用报文进行通信以实现互斥控制。由于集中式和分布式系统所采用的同步机构不同，因此要求也不同。 本文通过介绍几种集中式与分布式系统的互斥资源使用算法，来了解集中式与分布式系统互斥资源使用算法的区别。 关键词：集中式系统；分布式系统；互斥；令牌；临界资源 2
1.系统中的同步 1.1集中式系统中的同步 集中式系统中同步的软件实现方法通常是采用信号量机制。最简单的是整形信号量机制，通过两个标准的P、V操作实现资源的互斥使用。为了使得多个同类资源能够有效的互斥使用，在信号量机制的概念中引入记录型信号量加以实现。采用AND型信号量可以有效的避免多个进程同时要求多种共享资源时发生死锁的问题。为了让进程能够一次使用多个同类资源而且不用进行多次等待（P操作），又使用信号量机制进行控制。
1.2分布式系统中的同步 在分布式系统中由于没有共享的主存，因此主要使用报文进行通信以实现同步。总的来说，分布式操作系统中的同步系统其本质就是使得各种使用共享资源的操作或活动形成一个有序序列，或者说同步机构的目的就是给使用资源的多个进程提供某种方法和手段使分布式系统保持一个一致的状态，如多副本文件系统的一致性等。 分布式系统中实现硬件同步的方法一般是采用物理时钟、事件计数器、顺序器等。物理时钟方法中，时钟服务器从 WWV 或 GEOS 处获得 UTC，根据系统和用户的需要以集中式物理时钟的方式或分布式物理时钟的方式实现同步控制。分布式系统中实现互斥同步控制的最简单的方法是在并发执行的各个进程中选定一个进程作为协调者。当任一个进程想进入临界区时，首先要向协调者进程发送请求报文申请临界区进入许可。协调者进程根据目前临界区中的进程情况或者同意或者拒绝请求者进程进入临界区。这样的过程是通过报文的传递进行的。如果目前临界区内已有进程的话协调者或者拒绝或者不回答请求的进程。无论是哪种方式，系统都要设置一个缓冲队列用来存放被阻塞的请求进程。当临界区被退出后，由退出进程向协调者进程发送一个释放报文，协调者进程将进入临界区许可报文发送给相应的被阻塞队列中的第一个进程，使其退出等待队列进入临界区。显然该算法的实现机制保证不会出现饿死和死锁现象。该方法实际上是在分布式3
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【 关键词 】 分布 式 资源 互斥 ：
１ 算 法基本原理 、 ３ 实验 、
ｆ） １分布 式操 作 系 统 中结 点 组 织 成 一 棵 逻 辑 树 ｆ 可 设 ｋ ３ 开 始 时 Ｅ结点 持有全 部令 牌 ．各 结点 的 ＝且 能存 在 逻辑 环 ， 但最 终 归 结 为逻 辑 树 ） 构 。 结 每个 结 点 状 态 如 图 所 示 ： 维持周 围邻 居结点 的信息 ｆ）每 个 结点 Ｘ 维 持 一 个 长 度 为 ｋ的 一 维 位 图 ２ Ｈ ｌｅＸ和 一个请求 队列 ， 图所 示 ： ｏｄ ｒ 如
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一
种分布式 操作 系统 中 ｋ个 资源 的互斥算 法
吴惠 民，柳 锋 ，候烨晨
（广 州海军兵 种指挥 学院 广 东 广 州 ５ ０ ３ １４ ０）
【 摘
要 】 本 文针 对分 布 式操作 系统 中 ｋ个 资源提 出一个 互斥 算法 ． 出 了算 法的 步骤 ． 用 实验进 ： 给 最后
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Ｅ结 点 持 有 全 吾： 牌 时 的 系 统 状 态 及 位 图 ｆ 令
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存 储 在请 求 队列 Ｒ ｑ ｅｔ 中 的请 求 Ｒ ｘ， 表 ｅｕｓ Ｘ ｉ（ Ｙ） 示第 ｉ 个请 求是 由源结 点 Ｘ发 向 目标结 点 Ｙ 的 ｆ１ ３整个 系统 中同时 维持 ｋ个 令牌 。 ２ 具体 算 法步骤 、
Ｈｏｄｅ ．．． ｌ ｒ ．．．
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（）ｌｇ 复 ， 停发 送请 求 和 令牌 ， ４￣ ｌ 往 ｔｌ ｌ 不 随之 动态更 新 的请 求 马上也要 得 到 回复 。
（） 交换 的 消息数 目为 Ｏ ｏＮ ４需要 ０ｇ ）。
个结 点可 以从邻居 结点 中最 多接 收 ｋ个 请求 。 （１ ３持有 令牌 的结 点 退 出 临界 段 后 ， 果 此 时 队列 如
（） 求一个 可 靠 的网络通 信 。 １ 要 （１系 统 中 同 时存 在 的 ｎ ｌ的个 数 保 证 ｋ资 源互 ２ ｕｌ
中还有其 他邻居 结点 的请求 ．则在 请求 队列 中找 出最 斥 。 早 的一些请 求 ．将 令牌 发送 给 发 出传输请 求 的这些邻 （） ３不要 求 消 息 顺 序 的一 致 性 ， 可能 产 生 别人 请 求 居结 点 。 并且 修改 自己的 Ｈｏ ｅ。 ｌ ｒ ｄ
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ｌＩ ＝ ｏｄｒ： ）口］ ｅ
若 Ｈ ｌｅＸ ｉ Ｙ表 示 令 牌 被 Ｙ结 点 持 有 ． ｏ ｒ ［＝ ｄ ］ 或被 Ｙ 子树 中的结点持 有 。
系统 中的 结 点 组 织 成 的 逻 辑 树
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列 ． 向所 有 的 Ｈ ｌｅＹ ｉ ＞ ｕｌ Ｈ ｌｅＹ ｉ ＞ 的 并 ｏｄｒ ［ ＜ ｎ ｌ且 ｏ ｒ ［＜ Ｘ ］ ｄ ］ 结 点转发 请求 。 （ 中 Ｈ ｌｅＹ ｉ ＞ 控制条 件 主要是 其 ｏｄ ｒ ［＜ Ｘ ］ 为 了执行算 法时 绕开逻 辑 环 ．因 为系统 中同时存 在多 个 令牌 。 以免不 了出现 逻 辑 环 ） 接 收到 令牌 之前 ， 所 在 Ｙ结点还 可 以为任何邻 居 结点（ 括 自己１ 包 转发 请求 。 每 ４ 结 论 、
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