互斥和同步-消费者/生产者 (管程+消息传递)

管程

• 由一个或多个过程、一个初始化序列和局部数据组成的软件模块,主要特点:

  1. 局部数据变量只能被管程的过程访问,任何外部过程都不能访问
  2. 一个进程通过调用管程的一个过程进入管程.
  3. 只能有一个进程在管程中执行,调用管程的任何其他进程都被阻塞，以等待管程可用

• 管程的互斥机制:

  管程的数据每次只能被一个进程访问

  通过放入 共享数据结构 从而实现访问该资源的进程的互斥

• 管程的同步工具:

  目的: 当调用管程的进程被阻塞时 需要释放该管程供其他进程进入,当条件满足且管程可用则 进程从阻塞点重新进入管程.

  解决方法: 使用条件变量支持同步, 提供2个函数来操作条件变量

  1. cwait© : 进程被条件c阻塞,管程可被其他进程调用
  2. csignal© : 恢复因条件c而被阻塞的进程, 若有多个这样的进程,且选择其中的一个

• 管程的结构

  1. 入口: 等待进入管程的进程队列
  2. 管程等待区域: 条件等待队列 和 紧急队列
  3. 管程的数据区域: 局部数据 条件变量 过程(1,2,3,4…) 初始化代码

• 管程的工作流程

  1. 入口队列保证一次只能有一个进程可以进入, 试图进入管程的进程被阻塞加入等待管程可用的进程队列
  2. 当使用管程的进程执行cwait©把自己阻塞在条件c上,则加入等待条件改变重进进入管程的队列 (队列在管程内部)

管程解决有界缓冲区 生产者\消费者 问题

• 管程的2个条件变量:

  1. notfull ：缓冲区至少有增加一个字符的空间时,notfull为真
  2. notempty : 缓冲区至少还有一个字符时, notemprt为真

伪代码

/* program producerconsume */
moniter boundedbuffer;
char buffer[N];        //缓冲区N个数据项
int nextin,nextout; 	// 缓冲区指针
int count;  // 缓冲区数据项个数
cond notfull,notempty; // 条件变量

// 初始化缓冲区
{
     
	nextin = 0;
	nextout = 0;
	count = 0;
}

void append(char x) {
     
	if (count == N) // 缓冲区满,防止溢出
		cwait(notfull);
    buffer[nextin] = x;
    nextin = (nextin + 1) % N;
    count++;
    csignal(notempty); // 缓冲区添加数据后 可以供消费者使用
}
void take(char x) {
     
	if (count == 0) //缓冲区为空 防止下溢
		cwait(notempty);
	x = buffer[nextout];
	nextout = (nextout + 1) % N;
	count--;
	csignal(notfull); // 生产者可以继续生产
}


// main
void producer() {
     
	char x;
	while (true) {
     
		produce(x);
		append(x);
	}
}
void consume() {
     
	char x;
	while (true) {
     
		take(x);
		consume(x);
	}
}
void main() {
     
	parbegin(producer,consumer); 
}

• 优点:
  1. 管程有自己的互斥机制,通过控制条件变量完成进程的同步就行
  2. 使用信号量的话 互斥 和 同步 都要自己实现

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消息传递

• 实际功能由原语提供: 原语：进程间消息传递的最小操作集

  send(destination,message);

  receive(source,message);

• 进程执行send原语2种可能

  1. 不被阻塞
  2. 发送的进程被阻塞 知道 消息被目标进程所接受

• 进程执行receive原语后的可能

  1. 直接受到消息 进程继续执行
  2. 等待消息：
     • 该进程被阻塞直到消息到达
     • 进程继续执行,放弃消息接受

三种组合

1. 阻塞send,阻塞receive:都被阻塞，直到消息完成传递,使得进程紧密同步
2. 无阻塞send,阻塞receive: 发送进程继续执行,而接受进程被阻塞直到请求消息到达
3. 无阻塞send,无阻塞receive

直接寻址

• 上面都是直接寻址通过send的destination和receive的source参数 例如:目标进程标识号

间接寻址

• 消息不从发出者直接到达接受者, 而是发送到一个共享的数据结构,由临时保存消息的队列组成，通常称为信箱
• 常见关系：
  • 1对 1 ：专用通信链接
  • 多对1 ：常见客户-服务器交互. 服务器由一个进程给其他许多进程提供服务(消息服务?)，此时信箱常被称为端口
  • 1 对 多 : 某进程广播一条消息
  • 多 对 多:

利用 消息传递 解决有限缓冲区 生产者\消费者 问题

• 思路

  1. 通过 消息传递的间接寻址, 除了传递信号外还传递数据

  2. 生产者将产生的数据作为消息发到信箱mayconsume,只要该信箱还有一条消息,消费者就可以开始消费

  3. 那么mayconsume就作为缓冲区,全局变量capacity确定缓冲区大小,

  4. 信箱mayproduce开始时填满空消息,且等于信箱的容量,每次生产使得mayproduce中的消息减少

     mayconsume中的消息增多

• 通过这2个信箱（消息队列）,可以有多个生产者和消费者,

伪代码

const int capacity = /*缓冲区容量*/;
message  null = "空消息";
int i;
void producer() {
     
	message pmsg;
	while(true) {
     
		receive (mayproduce,pmsg);
		pmsg = produce();
		send (mayconsume,pmsg);
	} 
}
void consumer() {
     
	message cmsg;
	while (true) {
     
		receive (mayconsume,cmsg);
		consume(cmsg);
		send (mayproduce,null);
	}
}
void main() {
     
	create_mailbox(mayproduce);
	create_mailbox(mayconsume);
	for (int i=1; i<=capacity; ++i) 
		send (mayproduce,null);  // mayproduce插入空消息
	parbegin(producer,consumer);
}