进程同步问题

　　我们知道进程之间可以相互通信，通过访问一组进程共同拥有的代码和空间，这在前面我们已经讨论过了，但是在计算机内部执行那个进程实际上是非常复杂的，进程之间执行的顺序有时候也是不确定的，因此要确定当前代码执行到哪一步，代码内部的变量是什么值，对我们来说非常困难，而且，如果两个进程同时修改一个变量，可能会出现错误，因此我们引入了“进程同步”的概念。

　　1、临界区问题

　　每个进程有一个代码段我们称为临界区，在该区中的继承可能改变共同变量、更新一个表、写一个文件等，为了防止出现以上的问题，我们需要优化系统来解决上述问题。

　　临界区问题的解答需要满足下面三个条件：

　　（1）互斥：如果有一个进程在临界区，那么其他进程都不能进入临界区；

　　（2）前进：如果没有进程在其临界区执行且有进程需要进入临界区，那么只有那些不在临界区的进程可以选择，而且这种选择不能无限期延迟；

　　（3）有限等待：从一个进程做出临界区的请求，直到该请求允许为止，其他进程允许进入临界区的次数为上限。

　　2、Peterson算法

do
{
     flag[i]=TRUE;
      turn=j;
      while(flag[j] && turn==j);
      临界区
      flag[i]=FALSE;
      剩余区  
} while(TRUE);   
   

 

　　在上述代码中，turn表示那个进程可以进入其临界区，flag[i]=TRUE，表示进程i申请进入临界区

　上述代码满足我们提到的互斥，前进条件和有限等待

　　只有当flag[j]==false或者turn==i时，进程i才被允许进入临界区，满足互斥。

　　只要flag[j]==true和turn==j成立，进程j就陷入while循环语句，表示等待，当正在执行的进程i退出临界区时，flag[i]=false,那么进程j就可以进入临界区了，满足前进条件。

　　只要进程i退出临界区，那么进程j就可以进入临界区，有限等待满足。

　　3、信号量

 

　　PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：
    　　P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；
          　　 ②如果S³0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。
    　　V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；
          　　 ②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
　　PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

 

　　什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。
     一般来说，信号量S³0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S£0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。

 

　　利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是：
　　进程P₁              进程P₂           ……          进程Pn
　　……                  ……                           ……
　　P（S）；              P（S）；                         P（S）；
　　临界区；             临界区；                        临界区；
　　V（S）；              V（S）；                        V（S）；
　　……                  ……            ……           ……

 

    其中信号量S用于互斥，初值为1。
    使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是：
    （1）每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。
    （2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。
    （3）互斥信号量的初值一般为1。

 

　　PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。
    使用PV操作实现进程同步时应该注意的是：

 

    （1）分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。
    （2）信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。
    （3）同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。

 

　　4、管程：

 

　　信号量机制功能强大，但使用时对信号量的操作分散，而且难以控制，读写和维护都很困难。因此后来又提出了一种集中式同步进程——管程。其基本思想是将共享变量和对它们的操作集中在一个模块中，操作系统或并发程序就由这样的模块构成。这样模块之间联系清晰，便于维护和修改，易于保证正确性。

 

　　管程作为一个模块，它的类型定义如下： 
　　monitor_name = MoNITOR; 
　　共享变量说明; 
　　define 本管程内部定义、外部可调用的函数名表; 
　　use 本管程外部定义、内部可调用的函数名表; 
　　内部定义的函数说明和函数体 
　　{ 
　　　　共享变量初始化语句; 
　　}

 

　　从语言的角度看，管程主要有以下特性： 
　　（1）模块化。管程是一个基本程序单位，可以单独编译; 
　　（2）抽象数据类型。管程是中不仅有数据，而且有对数据的操作; 
　　（3）信息掩蔽。管程外可以调用管程内部定义的一些函数，但函数的具体实现外部不可见; 
　　对于管程中定义的共享变量的所有操作都局限在管程中，外部只能通过调用管程的某些函数来间接访问这些变量。因此管程有很好的封装性。 
　　为了保证共享变量的数据一致性，管程应互斥使用。 管程通常是用于管理资源的，因此管程中有进程等待队列和相应的等待和唤醒操作。在管程入口有一个等待队列，称为入口等待队列。当一个已进入管程的进程等待时，就释放管程的互斥使用权；当已进入管程的一个进程唤醒另一个进程时，两者必须有一个退出或停止使用管程。在管程内部，由于执行唤醒操作，可能存在多个等待进程（等待使用管程），称为紧急等待队列，它的优先级高于入口等待队列。 
因此，一个进程进入管程之前要先申请，一般由管程提供一个enter过程；离开时释放使用权，如果紧急等待队列不空，则唤醒第一个等待者，一般也由管程提供外部过程leave。 
　　管程内部有自己的等待机制。管程可以说明一种特殊的条件型变量：var c:condition；实际上是一个指针，指向一个等待该条件的PCB队列。对条件型变量可执行wait和signal操作：（联系P和V； take和give） 
　　wait(c):若紧急等待队列不空，唤醒第一个等待者，否则释放管程使用权。执行本操作的进程进入C队列尾部； 
　　signal(c):若C队列为空，继续原进程，否则唤醒队列第一个等待者，自己进入紧急等待队列尾部。

　　部分内容引用自：https://www.cnblogs.com/sonic4x/archive/2011/07/05/2098036.html

 

转载于:https://www.cnblogs.com/PIRATE-JFZHOU/p/8111665.html