第二章-进程管理.ppt

第二章进程管理,2.1进程的基本概念2.2进程控制2.3进程同步2.4经典进程的同步问题2.5进程通信2.6线程,2.1进程的基本概念,2.1.1程序的顺序执行及其特征,1.程序的顺序执行仅当前一操作(程序段)执行完后，才能执行后继操作。例如，在进行计算时，总须先输入用户的程序和数据，然后进行计算，最后才能打印计算结果。S1:a=x+y;S2:b=a-5;S3:c=b+1;,图2-1程序的顺序执行,S1:a=x+y;S2:b=a-5;S3:c=b+1;,2.程序顺序执行时的特征,顺序性：处理机的操作必须严格按照程序所规定的顺序执行(2)封闭性：程序在执行时独占系统的全部资源，因此机器资源状态的改变只与执行的程序有关，与外界环境无关(3)可再现性：只要初始条件相同，一个程序的多次重复执行，将得到相同的结果,2.1.2前趋图,前趋图(PrecedenceGraph)是一个有向无循环图，记为DAG(DirectedAcyclicGraph)，用于描述进程之间执行的前后关系。图中的每个结点可用于描述一个程序段或进程，乃至一条语句；结点间的有向边则用于表示两个结点之间存在的偏序(PartialOrder)或前趋关系(PrecedenceRelation)“”。=(Pi,Pj)|PimustcompletebeforePjmaystart,如果(Pi,Pj),可写成PiPj，称Pi是Pj的直接前趋，而称Pj是Pi的直接后继。在前趋图中，把没有前趋的结点称为初始结点(InitialNode)，把没有后继的结点称为终止结点(FinalNode)。,每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间。,IiCiPi和S1S2S3,图2-2前趋图,对于图2-2(a)所示的前趋图，存在下述前趋关系：,P1P2,P1P3,P1P4,P2P5,P3P5,P4P6,P4P7,P5P8,P6P8,P7P9,P8P9或表示为：P=P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9=(P1,P2),(P1,P3),(P1,P4),(P2,P5),(P3,P5),(P4,P6),(P4,P7),(P5,P8),(P6,P8),(P7,P9),(P8,P9)应当注意，前趋图中必须不存在循环，但在图2-2(b)中却有着下述的前趋关系：S2S3,S3S2,【联48】已知一个求值公式：若A、B已赋值，试画出该公式求值过程的前趋图。,2.1.3程序的并发执行及其特征,1.程序的并发执行,图2-3并发执行时的前趋图,在该例中存在下述前趋关系：IiCi，IiIi+1,CiPi,CiCi+1，PiPi+1而Ii+1和Ci及Pi-1是重迭的，亦即在Pi-1和Ci以及Ii+1之间，可以并发执行。对于具有下述四条语句的程序段：S1:a=x+2S2:b=y+4S3:c=a+bS4:d=c+b,图2-4四条语句的前趋关系,S1:a=x+2S2:b=y+4S3:c=a+bS4:d=c+b,2.程序并发执行时的特征,程序的并发执行是指二个或二个以上的程序或程序段可在同一时间间隔内同时执行。程序的并发执行极大提高了资源利用率和系统吞吐量，也产生了不同于顺序执行的新特征：1.间断性：由于资源共享和相互合作，并发执行的程序间形成了相互制约关系，导致程序的运行过程出现“执行-暂停-执行”的现象2.失去封闭性：程序在执行时与其他并发执行的程序共享系统的资源，因此资源状态的改变还与其他程序有关3.不可再现性：同样的初始条件，一个程序的多次重复执行，可能得到不同的结果,例如，有两个循环程序A和B，它们共享一个变量N。程序A每执行一次时，都要做N=N+1操作；程序B每执行一次时，都要执行Print(N)操作，然后再将N置成“0”。程序A和B以不同的速度运行。(1)N=N+1在Print(N)和N=0之前，此时得到的N值分别为n+1,n+1,0。(2)N=N+1在Print(N)和N=0之后，此时得到的N值分别为n,0,1。(3)N=N+1在Print(N)和N=0之间，此时得到的N值分别为n,n+1,0。,2.1.4进程的特征与状态,1.进程的特征和定义,结构特征：从结构上说，每个进程实体中除了相应的程序段、数据段外，必须包含一个数据结构进程控制块PCB2)动态性：进程是程序的一次执行过程，因此是都动态的。动态性还表现在进程具有一定的生命期，它必须由创建而产生、由调度而执行、由撤销而消亡。3)并发性：指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。只有为程序创建进程后，多个程序才能正确地并发运行，并发是引入进程的目的。,4)独立性：进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位5)异步性：进程可按各自独立、不可预知的速度向前推进,较典型的进程定义有：(1)进程是程序的一次执行。(2)进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。(3)进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。在引入了进程实体的概念后，我们可以把传统OS中的进程定义为：“进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位”。,【联1】以下对进程的描述中，错误的是A进程是动态的概念B进程执行需要处理机C进程是有生命期的D进程是指令的集合,【联3】一个进程是A有处理机执行的一个程序B一个独立的程序+数据集CPCB结构、程序和数据的组合D一个独立的程序,【联5】在单处理机系统中实现并发技术后，A各进程在某一时刻并行运行，cpu与i/o设备间并行工作B各进程在一个时间段内并行运行，cpu与i/o设备间串行工作C各进程在一个时间段内并行运行，cpu与i/o设备间并行工作D各进程在某一时刻并行运行，cpu与i/o设备间串行工作,总结：进程与程序的区别,1.进程是程序的执行，所以进程属于动态概念，而程序是一组指令的有序集合，是静态的概念2.进程既然是程序的执行，或者说是“一次运行活动”，因而它是有生命过程的，从投入运行到运行完成，它的存在是暂时的，而程序的存在时永久的3.进程是程序的执行，因此进程的组成应包括程序和数据。除此之外，进程还由记录进程状态信息的PCB组成。4.进程是竞争计算机系统有限资源的基本单位5.一个进程能与其他进程并发地活动6.一个程序可能对应多个进程，一个进程可以包含多个程序。进程和程序无一一对应关系,2.进程的三种基本状态,就绪(Ready)状态：进程已获得除cpu以外的所有必要资源，只要得到cpu便可立即执行。可以有多个就绪状态的进程2)执行状态：进程已得到cpu，其程序正在cpu上执行3)阻塞状态：正在执行的进程因某种事件（如I/O请求）的发生而暂时无法继续执行，只有等相应事件完成后，才能去竞争cpu,图2-5进程的三种基本状态及其转换,3.挂起状态不少系统中，进程只有上述三种基本状态，但另些系统中增加了挂起状态，其实质使进程不能继续执行，即挂起后的进程处于就绪状态，它也不能参加cpu的竞争，被挂起的进程处于静止状态，相反，没有被挂起的进程处于活动状态，只有通过激活才能得以实现引入挂起状态的原因终端用户的请求。用户发现可疑问题，希望暂时使自己的程序静止下来，以便研究其执行情况或修改,(2)父进程请求。父进程希望挂起某个子进程，考查或修改它，或协调各子进程之间的活动(3)负荷调节的需要。当负荷较重，影响对实时任务的控制(4)操作系统的需要。检查运行中的资源使用情况等另外，挂起进程可以腾出内存空间给其它就绪进程使用,2)进程状态的转换,活动就绪静止就绪。(2)活动阻塞静止阻塞。(3)静止就绪活动就绪。(4)静止阻塞活动阻塞。,图2-6具有挂起状态的进程状态图,【联8】分配到必要的资源并获得处理机时间的进程状态是A就绪B运行C阻塞D撤销,【联9】当一个进程处于这样的状态时，_，称为阻塞状态A它正等着输入一批数据B它正等着进程调度C它正等着分给它一个时间片D它正等着进入内存,批处理系统中作业处理及状态,【联10】某运行中的进程要申请打印机，它将变为_A就绪态B阻塞态C创建态D撤销态,【联11】以下进程状态转变中，_转变时不可能发生的。A运行-就绪B运行-阻塞C阻塞-运行D阻塞-就绪,【联13】一个进程的基本状态可以从其他两种基本状态转变过来，这个基本状态一定是就绪状态,【联19】进程自身决定_A从运行状态到阻塞状态B从运行状态到就绪状态C从就绪状态到运行状态D从阻塞状态到就绪状态,【联20】以下可能导致一个进程从运行状态变为就绪状态的事件是_A一次I/O操作结束B运行进程需要做I/O操作C运行进程结束D出现了比现在进程优先级更高的进程,【联21】一个进程释放一种资源有可能导致一个或几个进程_A就绪变运行B运行变就绪C阻塞变运行D阻塞变就绪,【联22】一次i/o操作的结束，有可能导致_A一个进程由阻塞变为就绪B几个进程由阻塞变为就绪C一个进程由阻塞变为运行D几个进程由阻塞变为运行,2.1.5进程控制块,1.进程控制块的作用,进程控制块的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序(含数据)，成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程。或者说，OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。PCB要被系统频繁访问，必须常驻内存。,2.进程控制块中的信息,1)进程标识符进程标识符用于惟一地标识一个进程。一个进程通常有两种标识符：(1)内部标识符。在所有的操作系统中，都为每一个进程赋予一个惟一的数字标识符，它通常是一个进程的序号。设置内部标识符主要是为了方便系统使用。(2)外部标识符。它由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是由用户(进程)在访问该进程时使用。为了描述进程的家族关系，还应设置父进程标识及子进程标识。此外，还可设置用户标识，以指示拥有该进程的用户。,2)处理机状态处理机状态信息主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成的。处理机在运行时，许多信息都存放在寄存器中，当处理机被中断时，所有这些信息都必须保持在PCB中，以便在该进程重新执行时，能从断点继续执行。,3)进程调度信息在PCB中还存放一些与进程调度和进程对换有关的信息，包括：进程状态，指明进程的当前状态，作为进程调度和对换时的依据；进程优先级，用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机；进程调度所需的其它信息，它们与所采用的进程调度算法有关，比如，进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等；事件，是指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。,4)进程控制信息进程控制信息包括：程序和数据的地址，是指进程的程序和数据所在的内存或外存地(首)址，以便再调度到该进程执行时，能从PCB中找到其程序和数据；进程同步和通信机制，指实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，它们可能全部或部分地放在PCB中；资源清单，是一张列出了除CPU以外的、进程所需的全部资源及已经分配到该进程的资源的清单；链接指针，它给出了本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址。,3.进程控制块的组织方式,1)链接方式,图2-7PCB链接队列示意图,2)索引方式,图2-8按索引方式组织PCB,2.2进程控制,2.2.1进程的创建,1.进程图(ProcessGraph),图2-9进程树,2.引起创建进程的事件,用户登录。用户在终端键入登录命令后，如果是合法用户，系统将建立一个进程，并插入就绪队列中(2)作业调度。作业装入内存，立即分配资源，创建进程，插入就绪队列(3)提供服务。用户提出请求后，系统专门创建一个进程里提供用户所需的服务(4)应用请求。以上三种都是系统内核创建的，应用程序为自己创建一个新进程,3.进程的创建(CreationofProgress),(1)申请空白PCB。(2)为新进程分配资源。(3)初始化进程控制块。(4)将新进程插入就绪队列，如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列。,2.2.2进程的终止,1.引起进程终止(TerminationofProcess)的事件当进程完成任务或遇到异常情况和外界干预需要结束时，应通过进程终止原语来终止进程。终止进程的实质是收回PCB。具体的操作过程是：找到要终止进程的PCB；若该进程正在执行，则终止它的执行，并置重新调度的标志；终止属于该进程的所有子孙进程；释放终止进程所拥有的全部资源；将终止进程移出它所在的队列并收回PCB。,1)正常结束在任何计算机系统中，都应有一个用于表示进程已经运行完成的指示。例如，在批处理系统中，通常在程序的最后安排一条Holt指令或终止的系统调用。当程序运行到Holt指令时，将产生一个中断，去通知OS本进程已经完成。在分时系统中，用户可利用Logsoff去表示进程运行完毕，此时同样可产生一个中断，去通知OS进程已运行完毕。,2)异常结束在进程运行期间，由于出现某些错误和故障而迫使进程终止。这类异常事件很多，常见的有：越界错误。这是指程序所访问的存储区，已越出该进程的区域；保护错。进程试图去访问一个不允许访问的资源或文件，或者以不适当的方式进行访问，例如，进程试图去写一个只读文件；非法指令。程序试图去执行一条不存在的指令。出现该错误的原因，可能是程序错误地转移到数据区，把数据当成了指令；特权指令错。用户进程试图去执行一条只允许OS执行的指令；运行超时。进程的执行时间超过了指定的最大值；等待超时。进程等待某事件的时间，超过了规定的最大值；算术运算错。进程试图去执行一个被禁止的运算，例如，被0除；I/O故障。这是指在I/O过程中发生了错误等。,3)外界干预外界干预并非指在本进程运行中出现了异常事件，而是指进程应外界的请求而终止运行。这些干预有：操作员或操作系统干预。由于某种原因，例如，发生了死锁，由操作员或操作系统终止该进程；父进程请求。由于父进程具有终止自己的任何子孙进程的权利，因而当父进程提出请求时，系统将终止该进程；父进程终止。当父进程终止时，OS也将他的所有子孙进程终止。,2.2.3进程的阻塞与唤醒,1.引起进程阻塞和唤醒的事件,请求系统服务，不能满足2)启动某种操作，等待完成3)新数据尚未到达4)无新工作可做,进程的阻塞是进程,自身的一种自主行为,2.进程阻塞过程,入口,保存当前的CPU现场,置进程的状态为阻塞态,被阻塞进程入等待队列,转进程调度,3.进程唤醒过程,入口,从等待队列中摘下被唤醒的进程,将被唤醒进程置为就绪态,将被唤醒进程送入就绪队列,转进程调度或返回,Block原语和wakeup原语是一对作用刚好相反的原语。因此，如果在某进程中调用了阻塞原语，则必须在与之合作的另一进程中或其它相关的进程中安排唤醒原语；否则，被阻塞进程将会因不能被唤醒而长久地处于阻塞状态，从而再无机会继续运行。,2.2.4进程的挂起与激活,1.进程的挂起当出现了引起进程挂起的事件时，系统将利用挂起原语suspend()将指定进程或处于阻塞状态的进程挂起。挂起原语的执行过程是：首先检查被挂起进程的状态，若处于活动就绪状态，便将其改为静止就绪；对于活动阻塞状态的进程，则将之改为静止阻塞。为了方便用户或父进程考查该进程的运行情况而把该进程的PCB复制到某指定的内存区域。最后，若被挂起的进程正在执行，则转向调度程序重新调度。,2.进程的激活过程当发生激活进程的事件时，系统将利用激活原语active()将指定进程激活。激活原语先将进程从外存调入内存，检查该进程的现行状态，若是静止就绪，便将之改为活动就绪；若为静止阻塞便将之改为活动阻塞。假如采用的是抢占调度策略，则每当有新进程进入就绪队列时，应检查是否要进行重新调度。,【联28】以下说法中，_不是创建进程所必须的。A建立一个进程的进程表项B为进程分配内存C为进程分配cpuD将进程表项插入就绪队列中,【联30】以下_不会引起进程创建A用户登录B作业调度C设备分配D应用请求,2.3进程同步,2.3.1进程同步的基本概念,1.两种形式的制约关系,间接相互制约关系。（资源共享）进程A和B共享一台打印机(2)直接相互制约关系。（进程合作）进程A和B通过单缓冲区合作工作,2.临界资源(CriticalResouce),生产者-消费者(producer-consumer)问题是一个著名的进程同步问题。它描述的是：有一群生产者进程在生产产品，并将这些产品提供给消费者进程去消费。为使生产者进程与消费者进程能并发执行，在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的循环缓冲池，生产者进程将它所生产的产品放入一个缓冲区中；,诸进程采取互斥方式访问的资源即为临界资源。,消费者进程可从一个缓冲区中取走产品去消费。尽管所有的生产者进程和消费者进程都是以异步方式运行的，但它们之间必须保持同步，即不允许消费者进程到一个空缓冲区去取产品；也不允许生产者进程向一个已装满产品且尚未被取走的缓冲区中投放产品。,我们可利用一个数组来表示上述的具有n个(0，1，n-1)缓冲区的缓冲池。用输入指针in来指示下一个可投放产品的缓冲区，每当生产者进程生产并投放一个产品后，输入指针加1；用一个输出指针out来指示下一个可从中获取产品的缓冲区，每当消费者进程取走一个产品后，输出指针加1。由于这里的缓冲池是组织成循环缓冲的，故应把输入指针加1表示成in=(in+1)modn；,输出指针加1表示成out=(out+1)modn。当(in+1)modn=out时表示缓冲池满；而in=out则表示缓冲池空。此外，还引入了一个整型变量counter,其初始值为0。每当生产者进程向缓冲池中投放一个产品后，使counter加1；反之，每当消费者进程从中取走一个产品时，使counter减1。生产者和消费者两进程共享下面的变量：,Varn,integer;typeitem=;varbuffer:array0,1,n-1ofitem;in,out:0,1,n-1;counter:0,1,n;指针in和out初始化为1。在生产者和消费者进程的描述中，no-op是一条空操作指令，whilecondicationdono-op语句表示重复的测试条件(condication)，重复测试应进行到该条件变为false(假)，即到该条件不成立时为止。在生产者进程中使用一局部变量nextp，用于暂时存放每次刚生产出来的产品；而在消费者进程中，则使用一个局部变量nextc,用于存放每次要消费的产品。,producer:repeatproduceaniteminnextp;whilecounter=ndono-op;bufferin=nextp;in=in+1modn;counter=counter+1;untilfalse;,consumer:repeatwhilecounter=0dono-op;nextc=bufferout;out=(out+1)modn;counter=counter-1;consumertheiteminnextc;untilfalse;,虽然上面的生产者程序和消费者程序，在分别看时都是正确的，而且两者在顺序执行时其结果也会是正确的，但若并发执行时，就会出现差错，问题就在于这两个进程共享变量counter。生产者对它做加1操作，消费者对它做减1操作，这两个操作在用机器语言实现时，常可用下面的形式描述：,register1=counter;register2=counter;register1=register1+1;register2=register2-1;counter=register1;counter=register2;假设：counter的当前值是5。如果生产者进程先执行左列的三条机器语言语句，然后消费者进程再执行右列的三条语句，则最后共享变量counter的值仍为5；反之，如果让消费者进程先执行右列的三条语句，然后再让生产者进程执行左列的三条语句，counter值也还是5。,但是，如果按下述顺序执行：register1=counter;(register1=5)register1=register1+1;(register1=6)register2=counter;(register2=5)register2=register2-1;(register2=4)counter=register1;(counter=6)counter=register2;(counter=4)正确的值应该为5，但现在是4.还可能出现答案为6的情况。失去可再现性,3.临界区(criticalsection),诸进程须采取互斥方式访问的软硬件资源临界资源进程中访问临界资源的那段代码称为临界区可把一个访问临界资源的循环进程描述如下：repeatcriticalsection;remaindersection;untilfalse;,entrysection,exitsection,4.同步机制应遵循的规则,空闲让进。临界资源空闲时允许进程进入自己的临界区(2)忙则等待。临界资源被访问时，其他要求进去临界区的进程必须等待(3)有限等待。进程应在有限的时间内进入自己的临界区，以免死等(4)让权等待。不能进入临界区的进程应立即释放CPU，以免忙等,2.3.2信号量机制,1.整型信号量最初由Dijkstra把整型信号量定义为一个整型量，除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作(AtomicOperation)wait(S)和signal(S)来访问。这两个操作一直被分别称为P、V操作。wait和signal操作可描述为：wait(S):whileS0dono-opS=S-1;signal(S):S=S+1;,2.记录型信号量在整型信号量机制中的wait操作，只要是信号量S0，就会不断地测试。因此，该机制并未遵循“让权等待”的准则，而是使进程处于“忙等”的状态。记录型信号量机制，则是一种不存在“忙等”现象的进程同步机制。但在采取了“让权等待”的策略后，又会出现多个进程等待访问同一临界资源的情况。为此，在信号量机制中，除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value外，还应增加一个进程链表L，用于链接上述的所有等待进程。记录型信号量是由于它采用了记录型的数据结构而得名的。它所包含的上述两个数据项可描述为：,typesemaphore=recordvalue:integer;L:listofprocess;end相应地，wait(S)和signal(S)操作可描述为：procedurewait(S)varS:semaphore;beginS.value=S.value-1;ifS.value0thenblock(S,L)endproceduresignal(S)varS:semaphore;beginS.value=S.value+1;ifS.value0thenwakeup(S,L);end,在记录型信号量机制中，S.value的初值表示系统中某类资源的数目，因而又称为资源信号量，对它的每次wait操作，意味着进程请求一个单位的该类资源，因此描述为S.value=S.value-1；当S.value0时，表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用block原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L中。可见，该机制遵循了“让权等待”准则。此时S.value的绝对值表示在该信号量链表中已阻塞进程的数目。对信号量的每次signal操作，表示执行进程释放一个单位资源，故S.value=S.value+1操作表示资源数目加1。若加1后仍是S.value0，则表示在该信号量链表中，仍有等待该资源的进程被阻塞，故还应调用wakeup原语，将S.L链表中的第一个等待进程唤醒。如果S.value的初值为1，表示只允许一个进程访问临界资源，此时的信号量转化为互斥信号量。,3.AND型信号量,在两个进程中都要包含两个对Dmutex和Emutex的操作，即processA:processB:wait(Dmutex);wait(Emutex);wait(Emutex);wait(Dmutex);若进程A和B按下述次序交替执行wait操作：processA:wait(Dmutex);于是Dmutex=0processB:wait(Emutex);于是Emutex=0processA:wait(Emutex);于是Emutex=-1A阻塞processB:wait(Dmutex);于是Dmutex=-1B阻塞,AND同步机制的基本思想是：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配给进程，其它所有可能为之分配的资源，也不分配给他。亦即，对若干个临界资源的分配，采取原子操作方式：要么全部分配到进程，要么一个也不分配。由死锁理论可知，这样就可避免上述死锁情况的发生。为此，在wait操作中，增加了一个“AND”条件，故称为AND同步，或称为同时wait操作，即Swait(Simultaneouswait)定义如下：,Swait(S1,S2,Sn)ifSi1andandSn1thenfori=1tondoSi=Si-1;endforelseplacetheprocessinthewaitingqueueassociatedwiththefirstSifoundwithSi1,andsettheprogramcountofthisprocesstothebeginningofSwaitoperationendifSsignal(S1,S2,Sn)fori=1tondoSi=Si+1;RemovealltheprocesswaitinginthequeueassociatedwithSiintothereadyqueue.endfor;,4.信号量集,Swait(S1,t1,d1,Sn,tn,dn)ifSit1andandSntnthenfori=1tondoSi=Si-di;endforelsePlacetheexecutingprocessinthewaitingqueueofthefirstSiwithSitiandsetitsprogramcountertothebeginningoftheSwaitOperation.endifsignal(S1,d1,Sn,dn)fori=1tondoSi=Si+di;RemovealltheprocesswaitinginthequeueassociatedwithSiintothereadyqueueendfor;,一般“信号量集”的几种特殊情况：(1)Swait(S,d,d)。此时在信号量集中只有一个信号量S，但允许它每次申请d个资源，当现有资源数少于d时，不予分配。(2)Swait(S,1,1)。此时的信号量集已蜕化为一般的记录型信号量(S1时)或互斥信号量(S=1时)。(3)Swait(S,1,0)。这是一种很特殊且很有用的信号量操作。当S1时，允许多个进程进入某特定区；当S变为0后，将阻止任何进程进入特定区。换言之，它相当于一个可控开关。,2.3.3信号量的应用,1.利用信号量实现进程互斥,利用信号量实现进程互斥的进程可描述如下：Varmutex:semaphore=1;beginparbeginprocess1:beginrepeatwait(mutex);criticalsectionsignal(mutex);remainderseetionuntilfalse;,endprocess2:beginrepeatwait(mutex);criticalsectionsignal(mutex);remaindersectionuntilfalse;endparend,2.利用信号量实现前趋关系,图2-10前趋图举例,图2-10前趋图举例,a,b,c,d,f,g,e,Vara,b,c,d,e,f,g;semaphore=0,0,0,0,0,0,0;beginparbeginbeginS1;signal(a);signal(b);end;beginwait(a);S2;signal(c);signal(d);end;beginwait(b);S3;signal(e);end;beginwait(c);S4;signal(f);end;beginwait(d);S5;signal(g);end;beginwait(e);wait(f);wait(g);S6;end;parendend,华中理工大学1999年试题，哈工大2000年试题,司机和售票员之间的同步关系,司机只有在售票员关车门后，才能启动汽车。售票员只有在司机到站停车后，才能开车门。,解：,Semaphoreclose=0，stop=0；driver()/*司机*/while(True)P(close);启动车辆;正常行车;到站停车;V(stop);,Conductor()/*售票员*/while(True)关车门;V(close);售票;P(stop);开车门;上下乘客;,Main()parbegin(driver,conductor);,2.4经典进程的同步问题,2.4.1生产者消费者问题前面我们已经对生产者消费者问题(Theproceducer-consumerproblem)做了一些描述，但未考虑进程的互斥与同步问题，因而造成了数据Counter的不定性。由于生产者消费者问题是相互合作的进程关系的一种抽象，例如，在输入时，输入进程是生产者，计算进程是消费者；而在输出时，则计算进程是生产者，而打印进程是消费者，因此，该问题有很大的代表性及实用价值。,1.利用记录型信号量解决生产者消费者问题假定在生产者和消费者之间的公用缓冲池中，具有n个缓冲区，这时可利用互斥信号量mutex实现诸进程对缓冲池的互斥使用；利用信号量empty和full分别表示缓冲池中空缓冲区和满缓冲区的数量。又假定这些生产者和消费者相互等效，只要缓冲池未满，生产者便可将消息送入缓冲池；只要缓冲池未空，消费者便可从缓冲池中取走一个消息。对生产者消费者问题可描述如下：,Varmutex,empty,full:semaphore=1,n,0;buffer:array0,n-1ofitem;in,out:integer=0,0;beginparbeginproceducer:beginrepeatproduceranitemnextp;wait(empty);wait(mutex);buffer(in)=nextp;in=(in+1)modn;signal(mutex);signal(full);untilfalse;end,consumer:beginrepeatwait(full);wait(mutex);nextc=buffer(out);out=(out+1)modn;signal(mutex);signal(empty);consumertheiteminnextc;untilfalse;endparendend,在生产者消费者问题中应注意：首先，在每个程序中用于实现互斥的wait(mutex)和signal(mutex)必须成对地出现；其次，对资源信号量empty和full的wait和signal操作，同样需要成对地出现，但它们分别处于不同的程序中。例如，wait(empty)在计算进程中，而signal(empty)则在打印进程中，计算进程若因执行wait(empty)而阻塞，则以后将由打印进程将它唤醒；最后，在每个程序中的多个wait操作顺序不能颠倒。应先执行对资源信号量的wait操作，然后再执行对互斥信号量的wait操作，否则可能引起进程死锁。,2.利用AND信号量解决生产者消费者问题,Varmutex,empty,full:semaphore=1,n,0;buffer:array0,n-1ofitem;inout:integer=0,0;beginparbeginproducer:beginrepeatproduceaniteminnextp;Swait(empty,mutex);buffer(in)=nextp;in=(in+1)modn;Ssignal(mutex,full);untilfalse;end,consumer:beginrepeatSwait(full,mutex);nextc=buffer(out);out=(out+1)modn;Ssignal(mutex,empty);consumertheiteminnextc;untilfalse;endparendend,假定系统有3个并发进程get、copy和put共享缓冲器B1和B2。进程get负责从输入设备上读信息，每读出一条记录后放到B1中。进程copy从缓冲器B1中取出一条记录拷贝后存入B2。进程put取出B2中的记录打印输出。B1和B2每次只能存放一条记录。要求3个进程协调完成任务，使打印出来的与读入的记录个数、次序完全一样。请用记录型信号量写出并发程序。,解：,设置4个信号量，其中empty1对应空闲的缓冲区1，其初值为1；full1对应缓冲区1中的记录，其初值为0；empty2对应空闲的缓冲区2，其初值为1；full2对应缓冲区2中的记录，其初值为0。相应进程描述为：get()while(1)从输入设备读入一条记录;P(empty1);将记录存入缓冲区1；V(full1);,copy()while(1)P(full1);从缓冲区1中取出一条记录;V(empty1);P(empty2);将取出的记录存入缓冲区2；V(full2);,put()while(1)P(full2);从缓冲区2中取出一条记录;V(empty2);将取出的记录打印出来；Main()parbegin(get,copy,put);,水果问题,桌上有一只盘子，最多可容纳两个水果，每次只能放入或取出一个水果。爸爸专向盘中放苹果，妈妈专向盘中放橘子；儿子专等吃盘子中的橘子，女儿专等吃盘子中的苹果。请用P、V操作实现爸爸、妈妈、儿子、女儿之间的同步与互斥关系。,水果问题,桌上有一只盘子，最多可容纳两个水果，每次只能放入或取出一个水果。爸爸专向盘中放苹果，妈妈专向盘中放橘子；儿子专等吃盘子中的橘子，女儿专等吃盘子中的苹果。请用P、V操作实现爸爸、妈妈、儿子、女儿之间的同步与互斥关系。答：设置信号量empty表示还可以向盘中放几个水果，其初值为2；apple对应已放入盘中的苹果，orange对应已放入盘中的橘子，它们的初值均为0；mutex用来实现对盘子的互斥访问（包括放和取），其初值为1。,father()mother()while(1)while(1)P(empty);P(empty);P(mutex);P(mutex);向盘中放苹果；向盘中放橘子；V(mutex);V(mutex);V(apple);V(orange);,son()daughter()while(1)while(1)P(orange);P(apple);P(mutex);P(mutex);从盘中取橘子；从盘中取苹果；V(mutex);V(mutex);V(empty);V(empty);吃橘子；吃苹果；,2.4.2哲学家进餐问题,1.利用记录型信号量解决哲学家进餐问题经分析可知，放在桌子上的筷子是临界资源，在一段时间内只允许一位哲学家使用。为了实现对筷子的互斥使用，可以用一个信号量表示一只筷子，由这五个信号量构成信号量数组。其描述如下：Varchopstick:array0,4ofsemaphore;,所有信号量均被初始化为1，第i位哲学家的活动可描述为：repeatwait(chopsticki);wait(chopstick(i+1)mod5);eat;signal(chopsticki);signal(chopstick(i+1)mod5);think;untilfalse;,可采取以下几种解决方法：(1)至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少有一位哲学家能够进餐，并在用毕时能释放出他用过的两只筷子，从而使更多的哲学家能够进餐。(2)仅当哲学家的左、右两只筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。(3)规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿右边的筷子；而偶数号哲学家则相反。按此规定，将是1、2号哲学家竞争1号筷子；3、4号哲学家竞争3号筷子。即五位哲学家都先竞争奇数号筷子，获得后，再去竞争偶数号筷子，最后总会有一位哲学家能获得两只筷子而进餐。,2.利用AND信号量机制解决哲学家进餐问题在哲学家进餐问题中，要求每个哲学家先获得两个临界资源(筷子)后方能进餐，这在本质上就是前面所介绍的AND同步问题，故用AND信号量机制可获得最简洁的解法。Varchopsiickarray0,4ofsemaphore=(1,1,1,1,1);processirepeatthink;Sswait(chopstick(i+1)mod5,chopsticki);eat;Ssignat(chopstick(i+1)mod5,chopsticki);untilfalse;,读者写者问题,（1）问题描述：有两组并发进程:读者和写者,共享一组数据区要求：允许多个读者同时执行读操作不允许读者、写者同时操作不允许多个写者同时操作,2.4.3读者-写者问题,1.利用记录型信号量解决读者-写者问题为实现Reader与Writer进程间在读或写时的互斥而设置了一个互斥信号量Wmutex。设置一个整型变量Readcount表示正在读的进程数目。Readcount是一个可被多个Reader进程访问的临界资源，为它设置一个互斥信号量rmutex。仅当Readcount=0,Reader进程才需要执行Wait(Wmutex)操作。若wait(Wmutex)操作成功，Reader进程便可去读，相应地，做Readcount+1操作。仅当Reader进程在执行了Readcount减1操作后其值为0时，才须执行signal(Wmutex)操作，以便让Writer进程写。,读者-写者问题可描述如下：Varrmutex,wmutex:semaphore=1,1;Readcount:integer=0;beginparbeginReader:beginrepeatwait(rmutex);ifreadcount=0thenwait(wmutex);/*只有第一个进入临界区Readcount=Readcount+1;的读进程才须执行wait操作*/signal(rmutex);performreadoperation;,wait(rmutex);readcount=readcount-1;ifreadcount=0thensignal(wmutex);/*最后一个退出临界区的读signal(rmutex);进程才须执行signal操作*/untilfalse;endwriter:beginrepeatwait(wmutex);performwriteoperation;signal(wmutex);untilfalse;endparendend,2.利用信号量集机制解决读者-写者问题,VarRNinteger;L,mx:semaphore=RN,1;beginparbeginreader:beginrepeatSwait(L,1,1);Swait(mx,1,0);performreadoperation;,Ssignal(L,1);untilfalse;endwriter:beginrepeatSwait(mx,1,1;L,RN,0);performwriteoperation;Ssignal(mx,1);untilfalse;endparendend,例:,一个主修动物行为学、辅修计算机科学的学生参加一个课题，调查花果山的猴子是否能理解死锁。他找到一个峡谷，横跨峡谷拉了一根绳索（假设为南北方向），以便于猴子越过峡谷。只要它们朝着相同的方向，同一时刻可以有多只猴子通过。但是如果在相反的方向同时有猴子通过则会发生死锁(这些猴子将被卡在绳索中间，假设这些猴子无法在绳索上从另一只猴子身上翻过去)。如果一只猴子想越过峡谷，它必须看当前是否有别的猴子在逆向通过。请用信号量机制写一个避免死锁的算法来解决该问题。,解：将猴子越过峡谷的南北方向分别标记为S和W；并用整形变量countS、countW分别表示往S、W方向上已爬上绳索的猴子数，它们的初值为0；再设置三个初值为1的互斥信号量：SS用来实现对countS的互斥访问，SW用来实现对countW的互斥访问。mutex用来实现两个方向上猴子对绳索的互斥使用。,则可将往S方向上猴子的动作描述为：wait(SS);if(countS=0)thenwait(mutex);countS:=countS+1;sigal(SS);猴子通过绳索由北向南越过峡谷；wait(SS);countS:=countS-1;if(countS=0)thensingal(mutex);sigal(SS);,W方向上猴子的算法与S方向类似，只需将SS替换为SW，countS替换成countW即可。,车辆互斥过桥问题？（北京大学1992年试题）,北,南,桥,理发师问题：一个理发店由一个有N张沙发的等候室和一个放有一张理发椅的理发室组成。没有顾客理发时，理发师便去睡觉。当一个顾客走进理发店时，如果所有的沙发都已被占用，他便离开理发店；否则，如果理发师正在为其他顾客理发，则该顾客找一张空沙发坐下等待；如果无顾客则直接由理发师理发。在理发完成后，顾客必须付费，直到理发师收费后才能离开理发店。试用信号量实现这一同步问题。,本题中，顾客进程和理发师进程之间存在多种同步关系：1.只有在理发椅空闲时，顾客才能做到理发椅上等待理发师理发，否则顾客必须等待，只有当理发椅上有顾客时，理发师才理发，否则他也必须等待。这种同步关系类似单缓冲的生存者-消费者问题，故可通过信号量empty和full来控制。2.顾客理完发后必须向理发师付费，并等理发师收费后顾客才能离开，而理发师需要等待顾客付费，并在收费后通知顾客离开，这可以通过两个信号量payment和receipt来控制。3.等待室中的N张沙发是顾客进程竞争的资源，故还需要为它设置一个资源信号量sofa4.为了控制顾客人数，使顾客能在所有的沙发都被占用时离开，还必须设置一个整型变量count来对理发店中的顾客进行计数，该变量将被多个顾客进程互斥地访问并修改，这可通过一个互斥信号量mutex来实现。Varcount：integer：=0；mutex，sofa，empty，fu