2.3 进程同步

1. 理解同步的含义

2. 信号量机制控制进程同步

3. 管程

进程间有什么相互影响？

两种制约关系：

1. 间接相互制约关系：主要源于资源共享,表现为进程A---打印机资源---进程B（互斥）

2. 直接相互制约关系：主要源于进程合作，表现为进程A写缓冲---进程B读缓冲（有序）

1.进程同步的基本概念

1）进程同步的主要任务：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。

。

R1和R2为处理机中的两个寄存器。两个进程各自对x作加1操作。

所以对生产者和消费者而言，counter应作为临界资源，应对其互斥访问

若是一群生产者和消费者生产者之间共同要影响的变量in要互斥；消费者间的out也一样

理解同步

互斥：在操作系统中，当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，直到占用临界资源的进程退出临界区，我们称进程之间的这种相互制约关系为“互斥”。

同步：多个相互合作的进程，在一些关键点上可能需要互相等待或互相交换信息，这种相互制约关系称为进程同步关系。可理解为“有序”。

如：生产和消费的“有序”关系靠对counter的正确判断达到，而对counter的修改必须“互斥”修改。

4）同步机制应遵循的规则

实现互斥的方法应符合如下每条原则

 空闲让进：资源使用最基本原则

 忙则等待：保证互斥

 有限等待：合适时被唤醒防止死等

 让权等待：能主动释放CPU防止忙等

同步控制的关键

主要涉及”判断”和”修改标志”操作

¡ 不应被打断（原语，OS核心态运行）

¡ 如何制定一种写法，使标志的使用适用于各种具体应用情况？

硬件同步机制

¡ 许多计算机提供一些特殊的硬件指令，允许对一个字中的内容进行检测和修正，或对两个字的内容进行交换。利

用这些特殊指令解决临界区问题。

¡ 进入临界区往往跟其标志有关，可将标志看做一个锁，“锁开”进入并关锁，“锁关”必须等待，初始时锁是打开的。

关中断

【】 进入锁测试前关闭中断，直到完成锁测试并上锁后才能打开中断。进程在临界区执行期间，系统不响应中断，从而不引发调度。

【】缺点：

l 滥用风险

l 关中断时间过长会影响效率，限制CPU交叉执行能力

l 不适用于多CPU系统

【】完全利用软件方法，有很大局限性，也不适于多进程，现在已很少采用。

【】硬件指令机械操作可保证锁开、关操作不被打断；适用于任意数目的进程。但等待要耗费CPU时间，不能实现“让权等待”，从等待进程中随机选择一个进入临界区，有的进程可能一直选不上，难以实现较为复杂的进程同步问题。

2.信号量机制

2）记录型信号量

【】 整型信号量符合“有限等待”原则

 signal释放资源后，当CPU被分配给等待进程后，等待进程仍可继续执行，可以符合“有限等待”。

【】 但整型信号量不符合“让权等待”原则

 整型信号量的wait操作，当s ≤0时，当前进程会占着CPU不断测试；

 信号量原语不能被打断，这个占有CPU的进程会一直不断的占据CPU循环下去，陷入忙等。

改进：条件不符时应能够主动放弃CPU

新问题：放弃CPU的进程进入阻塞队列：因等待某信号量而放弃CPU的等待进程会有“若干”个，需将它们组织

管理起来，并在合适的时候唤醒。

信号量结构信息发生变化

【】不仅要有值的处理，还有队列的处理。

【】此时形成记录型数据结构，包括两部分：

 整型变量value(代表资源数目)

 进程链表L(链接所有等待进程)：

【】 代码描述：

type Semaphore=record

value：integer;

L：list of PCB;

end;

 操作：S.Value，S.L

定义信号量semaphore代表可用资源实体的数量。又叫信号灯。

• 当≥0，代表可供并发进程使用的资源实体数

• 当<0，表示正在等待使用该资源的进程数。

【】建立一个信号量必须经过说明，包括

• 信号量所代表的意义

• 赋初值

• 建立相应的数据结构，以便指向等待使用临界区的进程。

【】除初值外，信号量的值仅能由标准原子操作P、V操作来改变。 PV操作是荷兰语通过和释放的意思。

3）信号量的基本应用

【】实现进程互斥

【】实现进程间的前趋关系（有序）

互斥信号量注意点：

1. 互斥信号量mutex初值为1；

2. 每个进程中将临界区代码置于P(mutex)和V(mutex)原语之间

3. 必须成对使用P和V原语（在同一进程中），不能次序错误、重复或遗漏：

l 遗漏P原语则不能保证互斥访问

l 遗漏V原语则不能在使用临界资源之后将其释放（给其他等待的进程）；

控制同步顺序的注意点

¡ 信号量值为0的点是限制的关键所在；

¡ 成对使用P和V原语（在有先后关系的两个进程中），不能次序错误、重复或遗漏，否则同步顺序出错。

2）民航售票系统问题

【】 n个售票处。每个售票处通过终端访问系统的公用数据区

【】假定公用数据区中分别用Ri表示某时间i次航班的现存票数。

【】Pi表示某售票处的处理进程，试用信号量实现进程间的互斥关系。

5）信号量集

【】引入原因：

l 每次只能获得或释放一个单位的资源，低效；

l 某些时候资源分配有下限的限制；

l 修改：在大于可分配设置的下界值t前提下，每次可分配d个。

信号量集的一个特例

【】 只有一个信号量S的几种特殊情况：

l Swait(S,  d, d)，，允许每次申请d个资源，若现有资源数少于d，不予分配。

l Swait(S,1,1)，蜕化为一般的记录型信号量，一次申请一个，至多分配一个(S>1时可计数，或S=1时可控制互斥)。

l Swait(S,1,0)，当S>=1时，允许多个进程进入某特定区，当S变为0后，阻止任何进程进入特定区，相当于可控开关。并不对S资源的数

*信号量题目做题一般方法：

1. 分析问题，找出同步、互斥关系

2. 根据资源设置信号量变量

3. 写出代码过程，并注意P、V操作的位置

4. 检查代码，模拟机器运行，体验信号量的变化和程序运行过程是否正确。