《操作系统》第三章 进程同步

第三章 进程同步

1.进程的同步与互斥

1.1 同步机制的规则

空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待

1.2整型信号量

只有一个整数变量记录可用资源数量；不满足让权等待的规则

1.3记录型信号量

请求1种资源，数量1个；1个整数变量value和1个阻塞队列L；value>0，表示资源可用数量，value<0，表示阻塞进程个数

1.4AND型信号量

请求n种资源，每种数量1个；多个信号量,资源要么全部分配，要么一个都不分配

1.5信号量集

请求n种资源，每种数量n个；通用的信号量表示方式，其他类型信号量都是它的特例；多个信号量，每种资源都带下限值

2.信号量机制（记录型信号量）

3.信号量机制实现进程的互斥、同步与前驱关系

3.1进程互斥

3.2进程同步

3.3进程的前驱关系

4.生产者－消费者问题

实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后

5. 阅览室管理问题

阅览室中有50个座位（即最多可坐下50位同学自习），只有一张登记表，欲进入阅览室的同学须先在登记表上登记，然后进入阅览室自习；出门时注销登记。

互斥公用信号量mutex：初值为1，实现临界资源（登记表）互斥使用。
空座位信号量seat：初值为50，指示空座位数目

6.读者－写者问题

给count加mutex互斥访问

• 这里说一下为什么要加mutex。
• 比如：当count=0时，第一个读者进程执行到p(rw),rw=0,假设此时时间片到了，切换到第二个读者进程,第二个进程发现count=0,则执行p(rw)，但是此时rw=0，于是第二个进程被堵在p（rw）这里，同理，后面的可能会有多个进程堵在p(rw)，只有当第一个进程再次获得时间片，执行count++,让count不为0，然后其他进程就可以直接绕过if直接进行count++来访问文件，但是第三个读者进程和后面的几个可能堵在p(rw)的多个读者进程则必须得等count–为0后才可以再次和写进程竞争来访问文件，对count的访问没有做到一气呵成，会导致本来一些进程一直堵在p（rw）。
  

加一个w实现“读写公平法”

• 在上面的算法中，读进程是优先的，即当存在读进程时，写操作将被延迟，且只要有 一个读进程活跃，随后而来的读进程都将被允许访问文件。这样的方式会导致写进程可能长时间等待，且存在写进程“饿死”的情况。
• 若希望写进程优先，即当有读进程正在读共享文件时，有写进程请求访问，这时应禁止后续读进程的请求，等到已在共享文件的读进程执行完毕，立即让写进程执行，只有在无写进程执行的情况下才允许读进程再次运行。为此，增加一个信号量并在上面程序的writer()和 reader()函数中各增加一对PV操作，就可以得到写进程优先的解决程序。

7. 过独木桥问题

有一座南北向独木桥，只能行走一人。如果桥上有一个人，则同向的人可以上桥并通过，反向的人只能等待。
过独木桥问题实际上是两类(读者)进程同时访问共享对象的问题，同种类的(读者)进程可以同时操作(读)，但不同种类的(读者)进程不能同时操作(读)

互斥信号量mutex：初值为1，实现临界资源（独木桥）互斥使用。

南桥头行人数目：sCount，初值为0，表示正在从南向北过桥的行人数目，如果sCount=0(第一个由南桥头上桥的行人)，进程必须执行wait(mutex)操作；行人过完桥后，如果sCount-1=0(最后一个从南桥头过桥的行人)，进程必须执行signal(mutex)操作
南桥头私用信号量：sMutex，初值为1，实现对sCount互斥访问功能

北桥头行人数目：nCount，初值为0，操作与南桥头相同
北桥头私用信号量：nMutex，初值为1，实现对nCount互斥访问功能

8.哲学家进餐问题

五个哲学家，围着圆桌交替地进行思考和进餐；每次进餐时，必须同时拿到左右两边的两只筷子才能进餐；进餐后，再放下筷子继续思考。

若五位哲学家同时饥饿而各自拿起了左边的筷子，这使五个信号量 chopstick 均为 0，当他们试图去拿起右边的筷子时，都将因无筷子而无限期地等待下去，即可能会引起死锁。

8.1方法一

至多只允许四位哲学家同时去拿左筷子，最终能保证至少有一位哲学家能进餐，并在用完后释放两只筷子供他人使用。

设置一个初值为 4 的信号量 r，只允许 4 个哲学家同时去拿左筷子，这样就能保证至少有一个哲学家可以就餐，不会出现饿死和死锁的现象。

原理：至多只允许四个哲学家同时进餐，以保证至少有一个哲学家能够进餐，最终总会释放出他所使用过的两支筷子，从而可使更多的哲学家进餐。

8.2方法二

仅当哲学家的左右手筷子都拿起时才允许进餐。

解法 1：利用 AND 型信号量机制实现。

原理：多个临界资源，要么全部分配，要么一个都不分配，因此不会出现死锁的情形。

解法 2：利用信号量的保护机制实现。

原理：通过互斥信号量 mutex 对 eat() 之前取左侧和右侧筷子的操作进行保护，可以防止死锁的出现。

8.2方法三

规定奇数号哲学家先拿左筷子再拿右筷子，而偶数号哲学家相反。

原理：按照下图，将是 2,3 号哲学家竞争 3 号筷子，4,5 号哲学家竞争 5 号筷子。1 号哲学家不需要竞争。最后总会有一个哲学家能获得两支筷子而进餐。

9.进程通信

共享存储器系统（无格式）
消息传递系统（有格式）
管道通信系统（相当于文件）
客户机-服务器系统

10.线程

10.1线程是调度和执行的基本单位

10.2线程与进程的关系

线程是进程中的运行实体
一个进程可包含多个线程
一个进程中至少包含一个线程，称主线程
进程相当于线程的载体

10.3 线程的分类

内核支持线程：线程的处理均由内核实现，内核为线程保留TCB，并通过TCB感知线程
用户级线程：线程的处理不通过内核实现，线程的状态信息等全部存放在用户空间中，内核不能感知用户级线程