深入理解操作系统[4]:进程的并发执行

1. 几个关键词

原子操作： 是由一个或多个指令序列实现的函数或动作，其特点是不允许被打断，所有动作要么全做，要么全不做。

临界资源： 指打印机，磁带机，表格 。一次只允许一个进程使用的共享资源（互斥方式）；
临界区： 指在每个进程中访问临界资源的程序代码（进程必须互斥的进入临界区）。
死锁： 多个进程的每个进程都在等待其他进程完成而不能继续执行。且互不相让已占用的资源。
活锁： 多个进程为响应其他进程种的变化而持续改变自己状态但不做有用的工作。
互斥： 一个进程在临界区访问共享资源时，其他进程不能进入临界区。
饥饿： 一个进程被无限期的忽略不被执行。

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并发执行的问题
由于进程的相对执行速度不可预测，因而
  1. 全局资源的共享很危险。多个进程都对同一全局变量读写，后果时很麻烦的。
  2. 操作系统很难对资源进行最优分配。比如被占用I/O的进程被阻塞。
  3. 定位程序设计的错误很困难。因为结果的不确定性和不可再现性。

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2. 进程的交互关系

  竞争（互斥）
    --进程间不知道对方的存在；
    --个进程的结果与另一个进程无关；
    --进程的执行时间可能受影响。
  通过共享合作（同步）
    --进程间间接知道对方的存在，比如共享对象；
    --一个进程的结果可能取决于从另一进程得来的信息；
    --进程的执行时间可能会受影响。
  通过通信合作（同步）
    --进程间直接知道对方的存在，比如通信原语。
    --一个进程的结果可能取决于从另一进程得来的信息；
    --进程的执行时间可能会受影响。

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实施互斥的要求
  1. 强制互斥，一次只允许一个进程进入临界区；
  2. 非临界区进程不能干涉临界区进程；
  3. 不能发生死锁和饥饿；
  4. 任何有需要的进程可以立即进入空的临界区；
  5. 对相关进程的执行速度和处理器数量无要求；
  6. 驻留在临界区的进程要被限制时间。

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实现互斥的方法
  1. 软件办法：让并发执行的进程承担责任，不需要程序设计语言或者操作系统来支持。
  2. 硬件支持的办法：如中断禁用，专用机器指令。
  3. 操作系统和程序设计语言级别的支持。

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对临界资源的访问

同步机制

为实现进程互斥地进入自已的临界区，所有同步机制都应遵循下述四条准则：
1 空闲让进；
2 忙则等待；
3 有限等待；
4 让权等待（进程不能进入自己的临界区时释放处理器）。

3. 信号量

信号量是一种数据结构。信号量的值与相应资源的使用情况有关，仅由P（wait，申请） V(signal，释放)操作（原子操作）改变。
二元信号量是值只取0和1的信号量。
互斥量 类似二元信号量，区别在于加锁（置0）和解锁（置1）必须为一个进程完成。

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基本原理
  多个进程通过信号进行合作，可以强迫一个进程在某个位置停止，直到它接收到一个特殊的信号。使用信号量执行semSignal(s)发送信号；使用semWait(s)接收信号；若相应的信号仍未发送，则阻塞进程直到发送完为止。

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整型信号量，记录型信号量，AND型信号量

信号量-整型信号量

缺点：只要信号量S<=0 ，就不断的测试，不满足让权等待。

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信号量-记录型信号量

  除了需要一个用于代表资源数目的整型变量 value 外，增加一个进程链表指针 L，用于链接所有等待进程。Value表示某类资源的数目 >=0时表示系统可用的资源数量，<0时其绝对值表示已经阻塞的进程数量。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。当 S.value<0 时，表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用 block 原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L 中。可见，该机制遵循了“让权等待”准则。此时 S.value 的绝对值表示在该信号量链表中已阻塞进程的数目。

Wait和 Signal操作

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信号量-AND型信号量

将进程在整个运行过程需要的所有资源，一次性全部分配给进程，待进程用完后一起释放。

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信号量实现互斥

wait(mutex)； 进入区
critical section 临界区
signal(mutex)；退出区
remainder seetion 剩余区

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生产者消费者问题

制约关系
1-不允许从空缓冲区中取；
2-不允许往满缓冲区中放。

定义

PV操作

P操作的顺序不能颠倒，先之行对资源信号量的P操作，在执行对互斥信号量的P操作，否则可能导致死锁。

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4. 管程

管程是一种编程语言结构，封装了变量，访问过程和初始化代码。它提供的功能和信号量相同但是更易于控制。管程由一个或多个过程，一个初始化序列和局部数组构成。有以下特点：
  1. 局部数据变量只能被管程的过程访问，任何外部过程不能访问；
  2. 一个进程通过调用管程的一个过程进入管程；
  3. 只有一个进程在管程中执行，调用管程的任何其他进程都需等待管程可用时才能进入。

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5. 消息传递

  为实施互斥，进程之间需要同步；为实现合作，进程之间需要交换信息。而通过消息传递方法实现信息交换可以在分布式系统，共享内存的多处理器系统和单处理器系统实现。

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寻址的方式
 1. 直接寻址
  Send(Receiver,message) //发送一个消息给接收进程
  Receive(Sender,message)

 2. 间接寻址
  --私用信箱
    用户进程建立，作为该进程的一部分；
    拥有者由权读消息，其他用户只能发；
    单向通信链路；
    进程结束时信箱也消失；
  --公用信箱
    操作系统创建；
    提供给系统中所有；
    核准进程既可以发也可以收；
    双向链路；
    系统运行期间始终存在；
  --共享信箱
    某进程创建，创建时提供共享进程的名字；
    信箱的拥有者和共享者都有权读发送给自己的消息。

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信箱通信时，发/收进程的关系
  1. 一对一：建立一条专用通信链路
  2. 多对一：C/S
  3. 一对多：广播
  4. 多对多：建立一种公用信箱，多个进程可以用

6. 读者-写者问题

存在一个多进程共享的数据区，有些进程只从中读取数据，有些进程只往其中写数据。且：
  1. 任意读进程可同时访问；
  2. 一次只有一个写进程可以写入；
  3. 如果一个写进程正在写，则禁止任何进程读。

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桃花仙人种桃树，又摘桃花换酒钱_