操作系统（第三单元）

第3章 进程同步与通信

3.1 进程的同步与互斥

进程在单处理机多道环境中，进程被交替执行，表现出并发性的特征。

怎样保证进程执行结果的正确性？

交互方式：
进程之间互相都不知道对方的存在（竞争关系）
进程之间间接知道对方（共享合作）
进程之间知道对方存在（通信合作）

进程之间交互关系：互斥 同步 通信

同步：指多个进程中发生的事件存在着某种时序关系，它们必须按规定时序执行，以共同完成一项任务。
互斥：多个进程不能同时使用统一资源。
临界资源：某段时间内仅允许一个进程使用的资源。如：打印机
临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码。

同步机制应遵循的准则：
空闲让进
忙则等待
有限等待
让权等待

互斥实现的硬件方法：
禁止中断
专用机器指令：
TS（Test and Set）指令
Swap指令

TS（Test and Set）指令

//TS 指令：
boolean TS(lock);
boolean lock;
{    boolean temp;
     temp = lock;
     lock = true;
     return temp;
}
//TS指令的使用
while(TS(lock))
     /*什么也不做*/;
临界区；
lock = false;
剩余区；

Lock 有两种状态：
当lock = false时，表示资源空闲；
当lock = true时，表示资源正在被使用。

为了实现互斥，设布尔变量lock，其初值为false，表示资源空闲。利用TS指令实现互斥。

优点：适用范围广 简单 支持多个临界区
缺点：没有做到“让权等待”

互斥实现的软件方法：

1.单标志算法

//进程0
while(turn != 0){} 
        //什么都不做;
临界区；
turn = 1;
剩余区；
//进程1
while(turn != 1){} 
        //什么都不做;
临界区；
turn = 0;
剩余区；

设置公共整形变量turn，使P0、P1轮流访问临界资源。

缺点：强制性轮流进入临界区，不能保证“空闲让进”。

2.双标志、先检查算法

//进程0
while(flag[1]){}
       //什么都不做；
flag[0] = true;
临界区；
flag[0] = false;
剩余区；
//进程1
while(flag[0]){}
       //什么都不做；
flag[1] = true;
临界区；
flag[1] = false;
剩余区；

设置数组flag，初始时设每个元素为false，表示所有进程都未进入临界区。若flag[i] = true，表示进程进入临界区执行。解决了“空闲让进”问题。

缺点：可能同时进入临界区，不能保证“忙则等待”。

3.双标志、先修改后检查算法

//进程0
flag[0] = true;
while(flag[1]){}
       //什么都不做；
临界区；
flag[0] = false;
剩余区；
//进程1
flag[1] = true;
while(flag[0]){}
       //什么都不做；
临界区；
flag[1] = false;
剩余区；

两个进程先后同时做 flag[i] = true;

缺点：保证了不同时进入临界区，但又可能都进不去。不能保证“有空让进”。

4.先修改、后检查、后修改算法

//进程0
flag[0] = true;
turn = 1;
while(flag[1] && (turn == 1){}
       //什么也不做
临界区；
flag[0] = false;
剩余区；
//进程1
flag[1] = true;
turn = 0;
while(flag[0] && (turn == 0){}
       //什么也不做
临界区；
flag[1] = false;
剩余区；

保证了“有空让进”和“忙则等待”

现实生活中用解决信号量及PV操作解决临界资源互斥问题。

3.2信号量及PV操作

信号量的P操作：
void wait(semaphore s) {
    s.value = s.value - 1;
    if (s.value < 0)
        block(s.queue);
        /*将进程阻塞，并将其投入等待队列s.queue*/
}
信号量的V操作：
void signal(semaphore s) {
    s.value = s.value + 1;
    if (s.value <= 0)
        wackup(s.queue);
        /*唤醒阻塞进程，将其从等待队列s.queue取出，投入就绪队列*/
}

信号灯的物理意义：
从资源的观点看信号灯的意义：
s.value的初值表示系统中某种资源的数目
wait(s)表示要申请一个资源
signal(s)表示要释放一个资源
s.value<0时，|s.value|表示等待队列的进程数

用信号灯解决互斥问题：

semaphore mutex = 1;
P1:
    while (1) {
        P(mutex);
        临界区；
        V(mutex);
        剩余区；
}
P2:
    while (1) {
        P(mutex);
        临界区；
        V(mutex);
        剩余区；
}

用信号灯解决同步问题：

semaphore a,b = 0,0;
{s1 ; V(a) ; V(b)}
{P(a) ; s2}
{P(b) ; s3}

经典进程同步问题：
生产者——消费者问题（先操作资源变量 后操作互斥变量）
读者——写者问题
哲学家进餐问题
打瞌睡的理发师问题

3.3 AND信号量

解决多个信号量的死锁问题

管程机制

3.4管程的定义

一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行（在该数据结构上）的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

管程=数据结构+操作+对数据结构中变量的初始化

利用管程解决生产者-消费者问题

3.5进程通信

低级通信方式：
信号灯（效率低、通信对用户不透明

高级通信方式：
共享存储器系统、消息传递系统（直接通信 间接通信）、管道通信

通信链路的建立方式：
显示建立链路
隐式建立链路

通信方向：
（全双工、半双工）
通信链路连接方式：
（点对点）
通信链路的容量：
（无容量就是没有缓冲区）

数据格式：
字节流、报文

同步方式：
阻塞方式 不阻塞方式

客户-服务器系统通信：
命名管道 套接字 远程过程调用

总结
1.进程与线程
（1）进程引入的原因: 单道顺序执行、多道并发执行
（2）进程的状态与组成：进程的三种、五种、七种状态 进程控制块（PCB）
（3）进程的控制：创建、撤消；阻塞、唤醒；挂起、激活
（4）线程：线程控制块（TCB）
2.进程的同步与通信
（1）进程同步与互斥：并发、临界资源与临界区、软硬件实现互斥、信号量和PV操作
（2）经典进程同步问题：生产者消费者、读者写者、哲学家进餐、理发师（关键步骤之前用P，关键步骤之后用V）
（3）AND信号量
（4）管程：管程结构和思想（封装）、线程可临时放弃管程的互斥访问同步机制都被限制在管程内、三种队列（紧急、条件、入口）
（5）进程的通信：高级通信、低级通信；共享存储器、消息传递、管道方式