操作系统课件第6章-进程同步-教案提纲.docx

第6章进程互斥与同步

多道程序系统中进程是并发执行的，这些进程之间存在着不同的相互制约关系，为了协调进程之间的相互制约关系，就需要实现进程的同步。

而互斥则是同步的一种特殊情况。

6.1进程互斥

1 •临界资源与临界区

（1）临界资源：把一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。

许多物理设备都属于临界资源，如打印机，绘图机等。

述有许多共享变量，共享数据等也屈于临界资源。

（2）临界区：在每个进程中，访问临界资源的那段程序称为临界区。

2.互斥

在操作系统中，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，当占用临界资源的进程退出临界区后，另一个进程才允许进入它的临界区

去访问此临界资源。

互斥：进程间的这种相互制约关系称为互斥。

为禁止两个进程同时进入临界区，可采用软件解决办法或者一个同步机构来协

调它们。

不论是软件还是同步机构都应遵循下述准则：

•当有若干个进程欲进入它的临界区时，应在有限时间内使进程进入临界区。

换言之，它们不应该相互阻塞而致使彼此都不能进入临界区;

•每次至多有一个进程处于临界区；

•进程在临界区内仅停留有限时间。

3.互斥的实现方法

（1）利用“锁”机制实现互斥

在同步机构屮，常用一个变量来代表临界资源的状态，并称它为锁。

通常用0表示资源可用，用1表示资源己被占用。

进程在使用临界资源之前，必须完成下列动作（即关锁操作）：

（R考察锁位的值（是0还是1）；

（b）如果原来的值为0,将锁值置成1 （表示占用资源）；

（c）如果原来的值为1 （即资源己被占用），则返回（°）再考察。

当进程使用完资源后，应将锁值置成0,即称为开锁操作。

注：在测试锁的值和置锁的值为1这两步之间，锁值不得被其他进程所改变, 这是应该绝对保证的。

系统可提供在一个锁w 上的两个原语操作lock (w)和unlock (w)o 其算法描述如下：

算法lock 输入：锁变量w 输出：无

test ： if (w= = l) goto test ； else w= 1 ；

算法unlock

输入：锁变量w 输出：无 {

w 二 0;

利用上锁原语和开锁原语，可以解决并发进程对临界资源访问的互斥问题。 下面给岀并发进程pl 和p2互斥使用临界资源的描述：

进程pl

进程p2

lock (w) 临界区 uniock(w) (2)利用P 、V 操作实现互斥

信号量的概念

♦信号量是一个确定的二元组(s, q)；

♦其中S 是一个具有非负初值的整形变量,q 是一个初始状态为空的队 列； ♦整形变量s 表示系统中某类资源的数目：

•当其值大于0时，表示系统中当前可用资源的数目；

•当其值小于0时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞 的进程

数目。

♦除信号量的初值外，信号量的值仅能由P 操作和V 操作改变，操作 系统利用它

的状态对进程和资源进行管理。

P 、V 操作(有的书上叫Wait 操作与Signal 操作)

P 、V 操作为两条原语，信号量的值仅能由这两条原语来改变。 P 、V 操作成对出现。

lock(w) 临

界区

uniock(w)

p 、V 操作的定义：

P 操作：P 操作记为p (S),其中S 为一信号量，它执行时，主要完成以 下动作：

■ s=s -i ；

■若S20,则进程继续执行；

■否则若S 〈0,则进程被阻塞，并将该进程插入到信号量S 的等待

队列中。

说明：实际上，P 操作可以理解为分配资源的计数器；

或是使进程处于等待状态的控制指令。

V 操作：V 操作记为V (S),其中S 为一信号量，它执行时，主耍完成以 下动作：

■ S = S+1；

■ 若S>0,则进程继续执行；

■若SWO,则从信号量S 的等待队列屮移出第一个进程， 使其变为

就绪状态，然后返回原进程继续执行。

说明：实际上，V 操作可以理解为归还资源的计数器；

或是唤醒进程使其处于就绪状态的控制指令。

利用信号量及其P 、V 操作能方便地实现进程互斥。

设S 为一互斥信号量，其初值=1,表示某临界资源未被占用。利用信 号量实现并发进程Pl 、P2互斥访问临界区的描述如下：

进程p2

P(S) 临界区 V(S)

例：假如系统中有2台打印机可用，现有4个进程Pl, P2, P3, P4都在 不同时间里以不同数量申请该设备。下表列出使用P 、V 操作使这4 个进程互斥工作的

过程。

S 初值=2,表示共有2台打印机可用。

Pl 、P2、P3、P4为并发进程，本例假设第1个被调度的为P2。

进程pl P(S) 临

界区

V(S)

并发进程Pi工作序列0数字表示运行顺序当前处于

运行态进

程

所执行的

操作(P/V)

信号量s

的值 (初

值=2)

被唤醒

的进程

信号量s的

等待队列

并发执

行顺序

P1P2 P3 P4

■■•

•

•

•

•

•P2P1空(1)

(2) P(S)■(1)

P(S)

•

⑶

P(S)

•

(5)

P(S)

•

Pl P0空(2)

P3P-1P3(3)

■(6)

■

(4)

■

(7)

■P2P-2P3—P2(4)

V⑸■P(S)

■

V(S)

■

V(S)

■

P4P-3P3-*P2-*P4(5)

■■

■

■

■

■

(8)

P(S)

■

■Pl V-2P3P2—P4(6) ⑼

V(s)

P3V-1P2P4(7)

•

•

•

•P3p-2P4—P3(8) QD

V(S)

•

■

V(S)

•

P2V-1P4P3(9)

P4V0P3空(10) ■

■

■

■P2V1空(11)

P3V2空(12)

6.2进程同步

1.同步概念

进程同步是指多个相关进程在执行次序上的协调，这些进程相互合作，在一些关键点上可能需要相互等待，或互通消息。

例如：计算进程Calculate与打印进程Print公用一个缓冲区B；当B空

时,Calculate将计算结果不断送入B,直到B满,Calculate 等待B空；

当B满时，Print从B中取数据并打印输出，直到B空，Print等待B满；

如此循环，不断计算，不断打印。

使用P、V操作实现这一过程的同步: int Empty=l； AEmpty=l表示缓冲区

空，需要被计算进程填满*/ int Full = O； /*Full二1表示缓冲区满，需

要被打卬进程取空*/

/*初始化置Empth二1而Full二0就是要先计算再打印*/ main () { cobegin

calculate ()； print ()；

coe nd

}

calculatcO

{ while . T. do /*无限循环*/

{ P (Empty)；

计算，将结果送入buffer,直到buffer满；V(Full)；