操作系统-------信号量和死锁

1.信号量

1.1信号量机制

信号量：其实就是一个变量（可以是一个整数，也可以是更复杂的记录型变量），可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量。比如：系统中的一台打印机，就可以设置一个初值为1的信号量。

用一对原语来对信号量进行操作：wait(S)原语和signal(S)原语，简称为P、V操作-------P(S)、V(S)

 

• 整型信号量

  • 用一个整数型的变量作为信号量，来表示系统中某种资源的数量
  • 不满足让权等待，会发生忙等，一直占用CPU进行循环
  • 

• 记录型信号量

  • 用记录型数据结构表示
  • 遵循了让权等待
  • 

 

1.2信号量机制实现互斥、同步

信号量机制实现进程互斥：在缓冲区前后分别执行P、V

• 划分临界区，设置互斥信号量mutex，初值为1
• 对不同的临界资源要设置不同的互斥信号量mutex1、mutex2……

信号量机制实现进程同步：前V后P

• 同步就是要保证一前一后执行两个操作

• 设置同步信号量S，初值为0

• 在前操作之后执行V(S)，在后操作之前执行P(S)

信号量机制实现前驱关系

• 每一对前驱关系都是一个进程同步问题，因此为每一对前驱关系设置一个同步信号量

 
 

2.用信号量机制解决问题

2.1生产者消费者问题

• 生产者和消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区

  • 二者必须互斥的访问缓冲区（互斥）

  • 只有缓冲区没满的时候，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待（同步）

  • 只有缓冲区不空时，消费这才能从中取走产品，否则等待（同步）

 

• 实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后，否则死锁
• V操作不会导致进程阻塞，可以交换
• 生产产品，使用产品最好不要放到缓冲区去执行，压力会很大

 

2.2多生产者消费者问题

当缓冲区为1时，此问题可以不写互斥的P、V

分析这类问题要从事件的角度出发：盘子变空-------->放入水果

 

2.3吸烟者问题（单生产者）

 

2.4读写者问题

 

 

 

2.5哲学家进餐问题

• 每个进程都需要持有两个临界资源，容易死锁

  
  

 
 

3.管程

• 管程也是用来实现进程的互斥和同步，管程就是解决了信号量机制麻烦，易错问题。封装思想
• 管程相当于类，组成部分：
  • 共享数据结构（类）
  • 对数据结构操作的一组过程（函数）
  • 共享数据设置初始值
  • 通过函数才能访问共享数据
  • 管程有一个名字
• 互斥特性由编译器执行，我们不需要关心
• 每次仅允许一个进程在管程内执行函数
• 可在管程中设置条件变量、等待、唤醒操作解决同步问题

 
 

4.死锁

4.1概述

死锁：各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，无法推进

• 至少两个进程或者两个进程进程以上才会死锁
• 必为阻塞态，缺少资源

饥饿：长期得不到想要的资源，如短进程优先，某个长进程就会饥饿

• 一个进程饥饿
• 就绪态（缺CPU）、阻塞态（缺I/O设备）

死循环：某个进程执行一直挑不出某个循环，逻辑bug

• 只有一个进程死循环

• 死循环可以处于运行态，是管理者的问题，不是操作系统的问题

 

死锁产生的4个必要条件：

• 互斥条件：对必须互斥使用资源的争抢
• 不剥夺条件：未使用完之前，不能由其他进程强行夺走
• 请求和保持条件：已经有了至少一个资源，但又提出了新的资源请求
• 循环等待条件：存在资源的循环等待链

存在循环等待的时候未必死锁，如果同类资源大于1，就不会死锁。

对不可剥夺资源的不合理分配就会发生死锁（互斥信号量在同步信号量之前会死锁）

 

死锁处理策略：

 

4.2预防死锁

破坏死锁产生条件之一

破坏互斥条件：

• 将互斥资源变为共享资源，就不会争抢了
• 缺点：很多时候互斥资源不可以改为共享的，为了系统的安全，很多时候无法破坏互斥性

 

破坏不剥夺条件：

• 方案一：当某个进程请求新的资源得不到满足，就立即释放现有资源，需要的时候再申请
• 方案二：某个进程所需资源被其它进程占用，可以由操作系统协助，将想要的资源强行抢过来，这种方式考虑的是优先级
• 缺点：
  • 实现起来相对复杂
  • 释放已有资源可能造成前面工作失效，因此只适合易于保存和恢复的资源，如CPU
  • 仿佛申请释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量
  • 采用方案一可能会饥饿

 
破坏请求保持条件：

• 采用静态分配法，一次申请完他所需要的全部资源
• 缺点：资源利用率低，可能饥饿
   

破坏循环等待条件：

• 采用顺序资源分配法，给资源编号，按照从小到大申请
• 缺点：不方便增加新设备，要重新编号
• 实际使用资源顺序和编号不一致，造成资源浪费
• 必须按顺序申请，编程麻烦

 

4.3避免死锁

安全序列：系统按照某种序列分配资源，每个进程都能顺利完成，即处于安全状态。

安全序列可以有多个。

系统处于不安全状态可能会死锁，死锁一定是处于不安全状态。

银行家算法核心思想：进程提出申请资源，先预测一下是哦福会导致进入不安全状态，如果会，不答应这次请求，先让进程阻塞等待。

 

4.4死锁的检测和解除

死锁的检测：

数据结构：来保存资源的请求和分配信息

上述请求让p1先执行，p1执行完成后，释放资源和请求，p2就可以执行了。这是一种安全状态，最终能消除所有边，一定不会发生死锁。

死锁定理：如果某时刻系统的资源分配图时不可完全简化的，就发生了死锁。

最终害连这边的进程就是处于死锁状态的进程。

 

死锁解除方法：

我们可以选择下面这些进程用来牺牲，以解除死锁：

• 优先级低的
• 已经执行的时间较短
• 还要很长时间才能完成的
• 进程已经使用的资源多的
• 进程是批处理式，而非交互式