操作系统第二章：进程管理

2.4 进程同步

采用躲到程序设计技术的操作系统，允许多个进程同时驻留内存并发执行。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

1.两种制约方式

• 间接相互制约——————共享系统资源
• 直接相互制约——————进程间合作

2.临界资源

1. 某些资源必须互斥使用，称为临界资源
2. 访问临界资源的那段代码成为临界区
3. 当临界区中的进程使用完毕时，负责唤醒阻塞队列中的一个进程，让其进入临界区
4. 为了保证进程间互斥执行自己的临界区，就要保证“临界区使用标志”是可被系统中所有进程共享的“全局变量”
   

3.临界区使用原则（互斥条件）

1. 空闲让进：如果临界区空闲，有进程申请就立即让其进入
2. 忙则等待：每次仅允许一个进程处于临界区，保证对临界资源的互斥访问
3. 有限等待：临界区内的进程只有逗留有限时间，不能令其他进程在临界区外死等
4. 让权等待：进程不能进入临界区，应立即释放处理机，以免进入忙等

4.竞争资源可能引起的问题

• 忙等：进程需要循环检测
• 死锁
• 饥饿：当一个进程退出临界区，有多个进程想进入，则只能进一个

5.互斥与同步的解决策略

• 软件方法：进程通过执行相应的程序指令，实现与其他进程的互斥与同步（大幅度增加系统开销）————Dekker算法和Peterson算法软件方法通常能实现两个进程的互斥，很难控制多个进程的互斥

• 硬件方法：通过屏蔽中断（单CPU）或采用专门的机器指令控制互斥与同步（太强的约束会导致饥饿和死锁）。

  1. 进程运行中如果屏蔽了中断则不会出现进程切换就确保了互斥执行。
  2. 但在多处理机中用屏蔽中孤单不能确保互斥与同步

• 操作系统提供的方法:信号量已经成为控制进程同步与互斥的通用方法 （解决了软件和硬件方法中忙等的问题）

  1. 整形信号量：除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作wait（S）和signal(S)来访问。也称为P，V操作
     wait用于申请资源，可能会阻塞自己
     signal用于释放资源，有责任唤醒一个阻塞进程

  2. 记录型信号量：一个域为整形，一个域为队列，队列的元素为等待该信号量的阻塞进程。记录型信号量的wait（S)操作记录型信号量的signal（S）操作

  3. AND型信号量：将所有资源一次性全都分配给进程，使用完后再一次性释放。只要有一个资源没有准备好就不分配给他

  4. 信号量的类型：

     • 互斥信号量：用于申请或释放资源的使用权，常初始化为1。

     • 资源信号量：用于申请或归还资源，可以初始化为大于1的正整数，表示系统中某类资源的可用个数。

  5. 利用信号量实现进程互斥

     • 为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只须为该资源设置一互斥信号量mutex，并设其初始值为1
     • 然后将各进程访问该资源的临界区CS置于wait（mutex）和signal（mutex） 操作之间即可。

  6. 信息量集——Swait和Ssignal

6.信号量的应用

1. 利用信号量实现进程互斥：
   ——为该资源设置一互斥信号量mutex，并设其初始值为1，然后将各进程访问该资源的临界区CS置于wait（mutex）和signal（mutex）操作之间即可。

2. 利用信号量实现前趋关系

7.经典进程的同步问题

生产者消费者问题：

生产者和消费者进程共享一个大小固定的缓冲区。
一个或多个生产者生产数据，并将生产的数据存入缓冲区。
一个消费者从缓冲区中取数据。
互斥信号量mutex：实现诸进程对缓冲池的互斥使用；
资源信号量empty：表示缓冲池中空缓冲区的数量；
资源信号量full：表示满缓冲区的数量;

producer:
							wait（empty）；
                            wait（mutex）；
                            buffer（in）：=nextp；
                            in：=（in+1）mod n；
                            signal（mutex）；
                            signal（full）；

consumer:
						  wait(full);
                          wait（mutex）；
                          nextc  ：=buffer(out)；
                          out：= （out+1）mod n;
                          signal（mutex）；
                          signal（empty）；

注意：

1. 进程应该先申请资源信号量，在申请互斥信号量
2. wait和signal必须配对
3. 同一个资源信号量的wait与signal可以不在同一个进程中
4. wait一定先于signal语句

读者/写者问题

多个进程访问一个共享数据区
存在若干读进程只能读数据，若干写进程只能写数据
允许多个读进程同时读
不允许多个写进程同时写
如果有写进程正在写不允许读

如下代码中申请了两个信号量：

1. readcount：指明正在读数据的读进程数量
2. wmutex:用于互斥读者和写者，只有当readcount==0时才提供给写进程，不然被第一个读进程占有
3. rmutex：用于互斥读进程对readcount的修改

8.进程间通信

信号量机制作为同步工具是卓有成效的，但作为通工具，则不够理想。原因：1,效率低 2，对用户不透明

进程通信类型

• 共享存储器——共享数据结构：如生产者消费者中，就是理由有界缓冲区，但是非常低效，只适用于少量数据，该情况下由操作系统实现

• 管道：管道必须提供以下三方面的协调能力：

  1. 互斥：每个进程间互斥
  2. 同步：写完了等待读，没有可读就等待写
  3. 只有确认管道双方都存在，才能进行通信

• 消息传递

  1. 直接通信：直接利用OS提供的发送send和接收recieve命令

     • send:即A先设置好发送区，计算正文长度申请并复制到缓冲区，然后找到B的PCB中的mq，将这个缓冲区插入到mq
     • recieve：从缓冲区中接收

     注意：缓冲区的读写应该互斥

  2. 间接通信
     1）信箱：相当于一个中间方，分为私用，公用和共享。又有一对多，多对一，一对一，多对多这四种关系
     2）缓冲队列

• C/S——网络通信，套接字，RPC

9. 线程

• 进程是资源分配的基本单位
• 线程是调度的基本单位，所以线程自己不拥有系统资源，只需要一点必不可少的资源，但他可以访问隶属进程的资源。独立性必进程低。系统开销比进程小
• 通常一个进程都拥有若干个线程，至少有一个线程————》线程切换不影响进程，进程切换带动线程切换
• 进程可并发，且进程中的线程也可并发

线程间的同步和通信

互斥锁：两种状态——unlock || lock

线程实现方式

1. 内核支持线程：即无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，他们的创建、撤消和切换等，也是依靠内核实现的。同样有线程控制块

   缺点：用户进程的线程在用户态运行，而线程调度和管理是在内核实现的，需要从用户态转到内核态进行

2. 用户级线程：通常是发生在一个应用进程的诸多线程之间，这时，也同样无须内核的支持。由于切换的规则远比进程调度和切换的规则简单，因而使线程的切换速度特别快。可见，这种线程是与内核无关的。

采用线程的优点

1. 创建，终止，切换线程的时间比进程少
2. 线程提高了不同的执行程序间通信的效率。同一个进程中的线程共享存储空间和文件，它们无需调用内核就可以互相通信。