计算机操作系统——经典进程的同步问题

计算机操作系统——信号量机制与经典进程的同步问题

信号量机制

  • 随着发展，信号量从整型信号量经记录型信号量，进而发展为“信号量集”机制。

  • 一般来说，信号量的值与相应的资源的使用情况有关。

  • 信号量的值仅由P、V操作改变。

  • 信号量的初值大于等于0

  • S > 0表示有S个可用资源

  • S = 0表示无资源可用

  • S < 0表示S等待队列中的进程个数

P，V操作的优缺点：

  1. 优点：简单，表达能力强（用P，V操作可解决任何同步，互斥问题）
  2. 缺点：不够安全，使用不当会出现死锁；遇到复杂同步互斥问题时实现复杂。

1.信号量机制——整型信号量

最初由Dijkstra把整型信号量定义为一个用于 表示资源数目的整型量S ，它与一般整型量不同，除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作（Atomic Operation）wait(S)和signal(S)来访问。很长时间以来，这两个操作一直被分别称为P、V操作。

wait(S){while(S <= 0) ;    /*do no-op*/S--;}
signal(S){S++;}
  • wait(S)和signal(S)是两个原子操作，因此，在执行时是不可中断的。
  • 当一个进程在修改某信号量时，没有其他进程可同时对该信号量进行修改。
  • 在wait操作中，对S值的测试和对S–操作时都不可断。

2.信号量机制——记录型信号量

整型信号量如果S一直小于等于0，那就使处理机一直处于忙等状态。记录型信号量机制则是一种不存在“忙等”现象的进程同步机制。但在采取了“让权等待”的策略之后，又会出现多个进程等待访问同一临界资源的情况。

  • 记录型信号量机制中，除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value外，还应增加一个进程链表指针list，用于链接上述的所有等待进程。记录型信号量是由于它采用了记录型的数据结构而得名的。
typedef struct{int value;struct process_control_block *list;
}semaphore;wait(semaphore *S){S->value--;if(S->value<0) block(S->list);
}signal(semaphore *S){S->value++;if(S->value <= 0) wakeup(S->list);
}

3.信号量机制——AND型信号量

  • 之前的进程互斥问题，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才能执行其任务。
  • 假定现有两个进程A和B，它们都要访问共享数据D和E。当然，共享数据都应作为临界资源。为此，可为这两个数据分别设置用于互斥的信号量Dmutex和Emutex，并令它们的初值都是1。相应地，在两个进程中都要包含两个对Dmutex和Emutex的操作。
process A:wait(Dmutex);wait(Emutex);

process B:wait(Emutex);wait(Dmutex);
  • 若进程A和进程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

A和B处于僵持，进入死锁状态

  • AND同步机制的基本思想：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放。
  • 对若干个临界资源地分配，采取原子操作方式：要么把它所请求的资源全部分配到进程，要么一个也不分配。
Swait(S1,S2, ... ,Sn){while(TRUE){if(Si>=1 && ... &&Sn>=1){for(i=1;i<=n;i++) Si--;break;}else{place the process in the waiting queue associated with the first Si found with Si<1,and set the program count of this process to the beginning of Swait operation.}}
}Ssignal(S1,S2, ... ,Sn){while(TRUE){for(i=1;i<=n;i++){Si++;Remove all the process waiting in the queue associated with Si into the ready queue.}}
}

经典进程的同步问题

一、生产者——消费者问题

解决互斥同步问题的主要步骤：

  1. 分析清楚题目涉及的进程间制约关系。（可能是一种也可能是两种）
  2. 设置信号量（包括信号量的个数和初值，写出信号量物理含义）
  3. 身临其境写算法（并把P，V操作加到程序适当之处）
  • 生产者消费者问题是一种同步问题的抽象描述。计算机系统中的每个进程都可以消费（使用）或生产（释放）某类资源。这里的资源可以是硬件资源，也可以是软件资源。
  • 当某一进程使用某一资源时，可以看作是消费，称该进程是消费者。而当某一进程释放某一资源时，它就相当于生产者。

生产者——消费者问题的分析：

  1. 只要缓冲区未满，生产者就可以把产品送入缓冲区。（同步）
  2. 只要缓冲区为空，消费者就可以从缓冲区中取走物品。（同步）
  3. 缓冲池一次只能有一个进程访问。（互斥）

生产者——消费者问题：信号量和变量的设置

  • 由于有界缓冲池是一个临界资源，必须互斥使用。另外，还需要设置一个互斥信号量mutex，其初值为1.
  • 应该设置两个同步信号量：一个说明空缓冲区的数目，用empty表示。初值为有界缓冲区的大小n；另一个说明已满缓冲区的数目，用full表示，初值为0。
  • 变量：缓冲池：buffer[n-1]，数组下标：in，out，初值为0。
/*生产者*/
producer(){while(1){生产产品;P(empty);    /*请求一个空闲缓冲区*/P(mutex);把产品放入缓冲池;in = (m+1) mod n;V(mutex);V(full);    /*增加一个产品*/}
}	

/*消费者*/
consumer(){while(1){P(full);    /*消耗一个产品*/ P(mutex);从缓冲区取出一个产品;V(mutex);V(empty);    /*增加一个空闲缓冲区*/}
}

生产者——消费者问题：算法结论

  • P，V操作必须成对出现。
  • 互斥的P，V出现在同一进程。
  • 同步的P，V出现在不同的进程。
  • 同步的P操作和互斥的P操作同时出现时，先写同步P操作，再写互斥P操作。

例题1：桌子上有一个盘子，最多允许存放一个水果。父亲只放苹果，母亲只放橘子；女儿只吃苹果，儿子只吃橘子。用信号量P，V写出父亲、母亲、女儿、儿子的同步算法。

信号量设置：
empty(盘子空余空间)=1；apple(苹果)=0；orange(橘子)=0

父亲father

father(){while(1){P(empty);放入苹果；V(apple);}
}

母亲mother

mother(){while(1){P(empty);放入橘子;V(orange)}
}

女儿daughter

daughter(){while(){P(apple);吃苹果;V(empty);}
}

儿子son

son(){while(1){P(orange);吃橘子;V(empty);}
}

例题2：桌子上有一个盘子，最多允许存放两个水果。父亲只放苹果，母亲只放橘子；女儿只吃苹果，儿子只吃橘子。用信号量P，V写出父亲、母亲、女儿、儿子的同步算法。

增加互斥信号量mutex=1

父亲father

father(){while(1){P(empty);P(mutex);放入苹果；V(mutex);V(apple);}
}

母亲mother

mother(){while(1){P(empty);P(mutex);放入橘子;V(mutex);V(orange)}
}

女儿daughter

daughter(){while(){P(apple);吃苹果;V(empty);}
}

儿子son

son(){while(1){P(orange);吃橘子;V(empty);}
}

例题3：某小型超市，可容纳50人同时购物。入口处有篮子，每个购物者从入口处拿一只篮子进入购物。出口处结账（入口和出口是两个门），并归还篮子（出、入口禁止多人同时通过），用信号量P，V写出购物者的同步算法。

由题意可以看出该题中只有互斥操作。
信号量设置：（超市剩余空间）empty=50，（入口）mutex1=1，（出口）mutex2=1

购物者shopper

shopper(){while(1){P(empty);        /*这里的P操作可以理解成请求，申请一个空闲区域*/P(mutex1);从入口进入，取一只篮子;		/*入口只能一个人通过，该动作执行的过程中，不允许其他进程进入*/V(mutex1);购物;P(mutex2);从入口出去，放下篮子;V(mutex2);V(empty);		/*这里的V操作可以理解成归还，释放一个空闲区域*/}
}

例题4：
在这里插入图片描述

信号量设置:
（停车的信号量）stop=0，（开门的信号量）door=0

/*司机*/
driver(){while(1){P(door);启动车辆;正常行驶;到站停车;V(stop);}
}

/*售票员*/
conductor(){while(1){关门;		/*售票员先关门，司机才能启动车辆*/V(door);售票;P(stop);开门;}
}

二、哲学家进餐问题

  • 有五个哲学家围坐在圆桌旁，桌子中央放着火锅，每人面前有一只空盘子，每两人之间放一只筷子。
  • 每个哲学家的行为是思考，感到饥饿，然后吃火锅。
  • 为了吃火锅，每个哲学家必须拿到两只筷子，并且每个人只能直接从自己的左边或右边去取筷子。

在这里插入图片描述

设chopstick[5]为5 个信号量，初值均为1

philosopheri:while(1){思考；P(chopstick[i]);P(chopstick[(i+1)%5]);吃火锅;V(chopstick[i]);V(chopstick[(i+1)%5]);
}

为防止死锁发生可采取得措施：

  1. 最多允许4个哲学家同时去拿起左边得筷子。
  2. 仅当一个哲学家左右两边得筷子都可用时，才允许他拿筷子。
  3. 给所有哲学家编号，奇数号得哲学家必须首先拿起左边的筷子，偶数号得哲学家则相反。

三、读者——写者问题

  • 有两组并发进程：读者和写者，共享一组数据区
  • 要求：（1）允许多个读者同时执行读操作（2）不允许读者、写者同时操作（3）不允许多个写者同时操作

读者——写者问题的问题分析：

  1. 读者和写者、写者和写者之间即写者与其他进程之间互斥访问数据区。
  2. 读者与读者可以同时访问，设置一个整型信号量readcount表示正在读的进程数目，该变量是可被多个读进程访问的临界资源。
  3. 设wmutex用于读者和写者、写者和写者之间的互斥；
  4. 设rmutex用于对readcount这个临界资源的互斥访问。
  • wmutex用于读者和写者、写者和写者之间的互斥
  • readcount表示正在读的读者数目
  • rmutex用于对readcount这个临界资源的互斥访问
  • 设有两个信号量wmutex=1,rmutex=1
  • 另设一个全局变量readcount=0
/*读者*/
while(1){P(rmutex);readcount++;if(readcount==1)P(wmutex);V(rmutex);读；P(rmutex);readcount--;if(readcount==0)V(wmutex);V()
}

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