操作系统期末重点

本来自信的以为自己能把全部的内容复习完，深夜十一点看着满桌的头发我才意识到，听着老师划的重点才是真香，虽说老师已经很明确的划了重点，但我好像还是什么都不会，脑袋里一片空白，这就是平时摸鱼的下场，摸鱼摸得爽，考试火葬场，唉，可是又有什么办法呢，只能临阵磨枪了。那么开始正文吧，加油，奥里给！

1、信号量机制

信号量实现互斥的基本原理

两个或多个进程可以通过传递信号进行合作，可以迫使进程在某个位置暂时停止执行（阻塞等待），指导它收到一个可以“向前推进”的信号（被唤醒）

相应的，将实现信号灯作用的变量成为信号量

• 信号量：仅能由同步原语进行操作的整型变量
• 同步原语：P/wait操作、V/signal操作
• 信号量类型：整形、记录型、AND型、信号量机制

一、整型信号量

1、原语描述

S：表示资源数目

int S = 1;	//初始化整型信号量S，表示当前系统中可用打印机资源数

void wait(int S){	//wait源于，相当于“进入区”
	while(s<=0);	。。如果资源数不够，就一直等待循环	
	S--;	//如果资源数够，则占用一个资源
}
void signal(S){	//signal原语，相当于“退出区”
	S++;	//使用完资源后，在退出区释放资源
}

1. 与普通整数变量的区别：对信号量的操作只有三种，即“初始化、P操作、V操作”
2. “检查”和“上锁”一气呵成，避免了并发、异步导致的问题
3. 不满足”让权等待“原则，会发生”忙等“

二、记录型信号量

1、原语描述

/*记录型信号量的定义*/
typedef struct {
	int value;	//剩余资源数
	struct process *L;	//等待队列
}	semaphore;

/*某进程需要使用资源时，通过wait原语申请*/
void wait (semaphore S) {
	S.value --;
	if (S.value < 0) {
		block(S,L);	//如果剩余资源数不够，使用block原语使进程从运行态进度阻塞态，并把挂到信号量S的等待队列（阻塞队列）中
	}
}

/*进程使用完后，使用signal原语释放*/
void signal (semaphore S) {
	s.value ++;
	if(S.value <= 0) {
		wakeup(S,L);	//释放资源后，若还有别的进程在等待这种资源，则使用wakeup原语唤醒等待队列中的一个进程，该进程从阻塞态变为就绪态
	}
}

1. wait(S)、signal(S)也可以记为P(S)、V(S)，这对原语可用于实现对系统资源的“申请”和“释放”
2. S.value 的初值表示系统中某种资源的数目
3. 对信号量S的一次P操作意味着进程请求一个单位的该类资源，因此需要执行S.value–，表示资源数减1，当S.value < 0 时表示该类资源已经分配完毕，因此进程应调用block原语进行自我阻塞（当前运行的进程从运行态→阻塞态），主动放弃处理及，并且插入该类资源的等待队列S，L中。符合“让权等待”原则，不会出现”忙等“现象
4. 对信号量S的一次V操作意味着进程释放一个单位的该类资源，因此需要执行S.value <= 0，表示依然有进程在等待该类资源，因此调用wakeup原语唤醒等待队列中的第一个进程（被唤醒进程从阻塞态→就绪态）

信号量的应用

信号量机制实现进程互斥

1. 分析并发进程的关键活动，划定临界区（如：打印机）
2. 设置互斥信号量mutex，初值为1
3. 在临界区之前执行P(mutex)
4. 在临界区之后执行V(mutex)

semaphore mutex = 1;	//题目中无特别说明一般如此声明信号量
P1() {
	…
	P(mutex);	//使用临界资源前要加锁
	临界区代码段...
	V(mutex);	//使用临界资源后要解锁
	…
}

P2(){
	…
	P(mutex);	
	临界区代码段...
	V(mutex);	
	…
}

注意：

1. 对不同的临界资源需要设置不同的互斥信号量（如：打印机设置为mutex1，摄像头设置为mutex2；）
2. P、V操作必须成对出现

信号量机制实现进程同步

进程同步：要让各并发进程按要求有序地推进
3. 分析什么地方需要实现“同步关系”，即必须保证“一前一后”执行的两个操作（或两句代码）
4. 设置同步信号量S，初值为0；
5. 在“前操作”之后执行V(S)；
6. 在“后操作”之前执行P(S)；

信号量机制实现进程前驱

进程前驱：多层的同步关系
其实每一个前驱关系就是一个进程同步问题（需要保证一前一后的操作）
因此：

1. 要为每一对前驱关系设置一个同步变量
2. 在“前操作”之后对相应的同步变量执行V操作
3. 在“后操作”之钱对相应的同步变量执行P操作

2、生产者-消费者问题

问题分析

• 系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品（数据）并使用
• 只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待
• 只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待
• 缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问（防止并发时数据被覆盖）
  
  

如何实现

semaphore mutex = 1;	//互斥信号量，实现对缓冲区的互斥访问
semaphore empty = n;	//同步信号量，表示空闲缓冲区的数量
semaphore full = 0;		//同步信号量,表示产品的数量，也即非空缓冲区的数量

producer () {
	while(1) {
		生产一个产品;
		P(empty);	//消耗一个空闲缓冲区
 	    P(mutex);	//*
		把产品放入缓冲区;
	    V(mutex);	//*
		V(full);	//增加一个产品**
	}
}

*实现互斥是在同一个进程中进行一对PV操作P(mutex)和V(mutex)

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

**实现两个进程同步是在其中一个进程中执行P，另一个进程中执行V操作V(full)和P(full)

思考：能否改变相邻P、V操作的顺序

不能，实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后，即P(mutex)一定要在P(empty)之后，因为如果不是这样，可能会导致死锁

使用产品;也不能放到PV之间，因为这样会降低系统的并发度：在执行使用产品;代码时，如果不释放临界资源，其他需要临界资源的进程就无法使用，降低了系统的并发度