【操作系统复习】第4章 进程同步

进程同步的概念

主要任务

使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作,从而使程序的执行具有可再现性。

进程间的制约关系

间接相互制约关系(互斥关系)

进程互斥使用临界资源

直接相互制约关系(同步关系)

进程间相互合作

临界资源

系统中某些资源一次只允许一个进程使用,称这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量。

诸进程间应采取互斥方式,实现对这种资源的共享。

同步——指两个事件的发生有着某种时序上的关系(先,后)

互斥——资源的使用要排它使用,防止竞争冲突(不同时使用,但无先后次序) (作为一种特殊同步)

【操作系统复习】第4章 进程同步_第1张图片

 

临界区:进程中涉及临界资源的代码段

进入区:用于检查是否可以进入临界区的代码段。

退出区:将临界区正被访问的标志恢复为未被访问标志。

剩余区:其他代码

【操作系统复习】第4章 进程同步_第2张图片

 

【操作系统复习】第4章 进程同步_第3张图片

软件同步机制

turn:哪个进程可以进入临界区

flag:哪个进程想要进入临界区

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硬件同步机制

【操作系统复习】第4章 进程同步_第5张图片

信号量机制

信号量-软件解决方案:

保证两个或多个代码段不被并发调用

在进入关键代码段前,进程必须获取一个信号量,否则不能运行

执行完该关键代码段,必须释放信号量

信号量有值,为正说明它空闲,为负说明其忙碌

【操作系统复习】第4章 进程同步_第6张图片

信号量只能通过初始化两个标准的原语PV来访问--作为OS核心代码执行,不受进程调度的打断

初始化指定一个非负整数值,表示空闲资源总数(又称为"资源信号量")--若为非负值表示当前的空闲资源数,若为负值其绝对值表示当前等待临界区的进程数

在记录型信号量中,waitsignal仅能对某类临界资源进行一个单位的申请和释放,当需要对N个单位进行操作时,需要Nwait/signal操作,效率低下

管程机制

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改变管程中的数据

条件变量的操作

阻塞操作:wait

唤醒操作:signal

x.wait(): 进程阻塞直到另外一个进程调用x.signal()

x.signal():唤醒另外一个进程

经典进程的同步问题

生产者-消费者问题

生产者(M个):生产产品,并放入缓冲区

消费者(N个):从缓冲区取产品消费

【操作系统复习】第4章 进程同步_第7张图片

 

哲学家进餐问题

五个哲学家的生活方式:交替思考和进餐

共用一张圆桌,分别坐在五张椅子上

在圆桌上有五个碗和五支筷子

平时哲学家思考,饥饿时便试图取用其左、右最靠近他的筷子,只有在拿到两支筷子时才能进餐

进餐毕,放下筷子又继续思考

可能引起死锁,如五个哲学家同时饥饿而各自拿起左筷子时,会使信号量chopstick均为0;因此他们试图去拿右筷子时,无法拿到而无限期等待

解决方法:

最多允许4个哲学家同时坐在桌子周围

仅当一个哲学家左右两边的筷子都可用时,才允许他拿筷子。

给所有哲学家编号,奇数号的哲学家必须首先拿左边的筷子,偶数号的哲学家则反之

读者-写者问题

【操作系统复习】第4章 进程同步_第8张图片

 

如果读者来:

无读者、写者,新读者可以读。

有写者等,但有其它读者正在读,则新读者也可以读。

有写者写,新读者等。

如果写者来:

无读者,新写者可以写。

有读者,新写者等待。

有其它写者,新写者等待。

【操作系统复习】第4章 进程同步_第9张图片

 

死锁 :两个或多个进程无限期地等待一个事件的发生,而该事件正是由其中的一个等待进程引起的。

饥饿 :无限期地阻塞,进程可能永远无法从它等待的信号量队列中移去。

信号量同步的缺点

【操作系统复习】第4章 进程同步_第10张图片

 

Linux并发的主要来源: 中断处理、内核态抢占、多处理器的并发。

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