【操作系统】 - 进程管理 - 4

【操作系统】 - 进程管理 - 4

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1 进程间通信与同步

2 经典的ipc问题

3 进程调度

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2.3 进程间通信与同步

进程间通信（InterProcess Communication IPC）: 进程之间的信息交流与协调。

并发进程之间的两种关系

1. 相互独立：进程之间没有任何关联关系（直接的或间接的）， 仅有cpu

竞争关系。无需通信，由进程调度器来协调

1. 相互关联：进程之间存在着某种关联关系（直接或间接），需要相互通信。

例如：共享内存变量/共享软硬件资源/数据传递/协调工作等

 

需要考虑的问题：

1. 进程间如何通信呢，如何来相互传递信息呢？
2. 当两个或多个进程在访问共享资源时，如何确保它们不会相互妨碍—

进程互斥问题；

1. 当进程之间存在着某种依存关系时，如何来调整它们运行的先后顺序 – 进程同步问题
2. 生活中的例子：教室座位/打饭窗口/一组同学做大作业

 

 

进程间通信方式

低级通信：只能传递状态和整数值（控制信息）

• 信号量
• 信号

高级通信：能够传递任意数量的数据

• 共享内存
• 消息传递
• 管道

 

共享内存：

绝大多数现代的操作系统都提高了相应的方法，来让各个进程共享它们地址空间当中的某些部分，即共享内存。在共享内存中，可以任意读写和使用任意的数据结构

一组进程向共享内存中写，另一组进程从共享内存中读，通过这种方式实现两组

进程间的信息交换。

消息传递

消息：由若干数据位组成。

消息传递：进程之间通过发送和接收消息来交换信息

消息机制由操作系统来维护，包括定义寻址方式，认证协议，消息的大小等。一般提供两个操作：

• Send（） 发送一条消息
• Receive () 接收一条消息

如果两个进程P和Q想要进行通信，它们需要

• 在两者之间建立一个通信链路
• 使用Send()和Receive()交换信息

管道

管道通信由unix首创，由于其有效性，后来的一些系统相继引入了管道技术

管道通信以文件系统为基础，所谓管道即连接两个进程之间的一个打开的共享

文件，专用于进程之间的数据通信；

发送进程从管道的一端写入数据流，接收进程从管道的另一端按先进先出的顺序读出数据流

管道的读写操作即为文件操作fwrite / fread, 数据流的长度和格式没有限制

 

2.3.2 进程的互斥

进程互斥的产生原因：

进程宏观上并发执行，依靠时钟中断来实现微观上轮流执行；

访问共享资源

两个

两个或多个进程对同一共享数据同时进行读写操作，而最后的结果是不可预测的，它取决于各个进程具体运行情况。

在同一时刻，只允许一个进程访问该共享数据，即如果当前已有一个进程正在使用该数据

那么，其他进程暂时不能访问。这就是互斥的概念。

 

竞争状态问题的抽象描述

把一个进程在运行过程中所做的事情分为两类：

进程内部的计算或其他的一些事情，肯定不会导致竞争状态的出现；

对共享内存或共享文件的访问，可能会导致竞争状态的出现。我们把完成这类失去的那段程序称为“临界区”，把需要互斥访问的共享资源 称为“临界资源”

如果我们能设计出某种方法，使得任何两个进程都不会同时出现在临界区中，就可以避免竞争状态的出现。

 

实现互斥访问的四个条件

1 任何两个进程都不能同时进入临界区

2 不能事先假定cpu的个数和运行速度

3 当一个进程运行在它的临界区外面时，不能妨碍其他的进程进入临界区

4 任何一个进程进入临界区的要求应该在有限时间内得到满足。

 

2.3.3 基于关闭中断的互斥实现

当一个进程进入临界区后，关闭所有的中断；当它退出临界区时，再打开中断。

进程的切换是由中断引发的，关闭中断后，cpu不会被分配给其他进程，其他进程无法执行

操作系统内核经常使用这种方法来更新内部的数据结构（变量，链表等）

问题：

如果进程在临界区中执行大量的计算，结果会如何？忙等

这种方法能否用于用户进程？不适用

这种方法能否用在多cpu的系统中？不可以

 

2.3.4 基于繁忙等待的互斥实现

方法1. 加锁标志位

Lock的初始值为0，当一个进程想进入临界区时，先查看lock的值，若为1，说明已有进程在临界区内，只好循环等待。等它变成0，才可进入。每个进程的操作类似。例如，

图书馆借书。

缺点：可能出现针对lock的竞争状态问题。

 

方法2 强制轮流法

基本思想：每个进程严格的按照轮流的顺序来进入临界区。

优点：保证在任何时刻最多只有一个进程在临界区

缺点：违反了互斥访问四条件中的第三个条件。

方法3 Peterson方法：当一个进程想进入临界区时，先调用enter_region函数，判断

是否能安全进入，不能的话等待；当它从临界区退出后需要调用leave_region函数，

允许它进入临界区。两个函数的参数均为进程号。

Peterson算法解决了互斥访问的问题，而且克服了强制轮流法的缺点，可以完全

正常的工作。

 

TSL指令

加锁标志为的缺点在于可能出现针对共享变量lock的竞争状态。例如：

当进程0执行完循环判断语句后，被时钟中断打断，从而可能使多个进程

同时进入临界区。

能不能把查询lock变量与修改lock变量的这两个操作捆绑在一起，使它们不会被打断？这

就是硬件上的TSL(Test and Set Lock)指令

使用LOCK来作为加锁标志位，协调各个进程对共享资源的访问；

当LOCK为0时，任何进程均可使用TSL指令把它设置为非0，进而访问共享资源

当LOCK为非0时，循环等待；

在退出临界区时， 把LOCK设置为0

 

以上的各种方法，都是基于繁忙等待（busy waiting）

的策略，都可归纳为一种形式：当一个进程想要进入它的临界区时，首先检查一下是否允许它进入，若允许，就直接进入了；若不允许，就在那里循环的等待，一直等到运行

它进入

缺点：

1. 浪费cpu时间
2. 可能导致预料之外的结果（如：一个第优先级进程位于临界区中，这时有一个高优先级的进程也试图进入临界区）

一个低优先级的进程正在临界区中

另一个高优先级的进程就绪了

调度器把cpu分配给高优先级的进程

该进程也想进入临界区

高优先级进程将会循环等待，等待低优先级进程退出临界区

低优先级进程无法获得CPU，无法离开临界区

 

现有的进程互斥问题形式：两个或多个进程都想进入各自的临界区，但在任何时刻，只允许一个进程进入临界区

新的进程互斥问题形式：两个或多个进程都想进入各自的临界区，但在任何时刻，只允许N个进程同时进入临界区（N >= 1）

2.3.4 信号量

1965年由著名的荷兰计算机科学家Dijkstra提出，其基本思想是用一种新的变量类型来记录当前可用资源的数量。

有两种实现方式：

1. semaphre的取值必须大于或等于0， 0表示当前已没有空闲资源，而正数表示当前空闲资源的数量
2. semaphre的取值可正可负，负数的绝对值表示正在等待进入临界区的进程个数
3. 信号量是由操作系统来维护的，用户进程只能通过初始化和两个标准原语】

(P, V原语)来访问。

初始化可指定一个非负整数，即空闲资源总数。

P, V原语包含有进程的阻塞和唤醒机制，因此在进程等待进入临界区时不会浪费cpu时间

P原语：P是荷兰语Proberen(测试)的首字母。申请一个空闲资源（把信号量减1），

若成功，则退出，若失败，则该进程被阻塞

V原语： V是荷兰语Verhogen(增加)的首字母。释放一个被占用的资源（把

信号量加1），如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之

 

2.3.5 进程的同步

进程间的同步是指多个进程中发生的事件存在某种时序关系，因此在各个进程之间

必须协同合作，互相配合，使各个进程按一定的速度执行，以完成某一项任务

同步： 合作

互斥： 竞争

只考虑基于信号量的同步问题

2.4 经典的ipc问题

1 生产者 – 消费者问题

2 哲学家就餐问题

3 读写者问题

用信号量来解决，主要问题：

如何选择信号量，如何安排P, V原语的顺序

 

1 生产者 – 消费者问题

问题描述：

两个进程（生产者和消费者）共享一个共有的，固定大小的缓冲区，生产者

不断地制造产品，并把它放入缓冲区，而消费者不断的把产品取出来，并使用它，要求这两个进程互相协调，正确的完成各自的工作

问题分析：

对于生产者进程：制造一个产品，当要送入缓冲区时，要检查缓冲区是否有空位，若是，才可将产品送入缓冲区，并在必要时通知消费者，否则等待

对于消费者进程：当它去取产品时，先要检查缓冲区中是否有产品可取，若有，则取走一个，并在必要时通知生产者，否则等待

这种相互等待，并通知信息就是典型的进程同步。

同时，缓冲区是一个临界资源，因此，各个进程在使用缓冲区的时候，还有一个互斥问题

 

哲学家就餐问题

1965年，由Dijkstra提出并解决，后来逐渐成为该领域的一个经典问题，或者说，是一块试金石，用来实验新的进程同步方法的优劣。

每个哲学家的动作只有两种：进餐和思考。当一个哲学家感到饥饿时，他试图去获取他左边和右边的两把叉子（一次取一把，顺序无关），然后才能开始进餐。吃完以后，他需要把两把叉子放回原处，然后继续思考

问题是：如何保证哲学家梦的动作有序进行？

 

1. 必须有一个数据结构，来描述每个哲学家的当前状态
2. 该数据结构是一个临界资源，各个哲学家对它的访问应该互斥的进行

1. 进程互斥
2. 3 一个哲学家吃饱后，可能要唤醒它的左邻右舍，两者之间存在着同步关系 – 进程同步

读写者问题

问题描述

在一个航空订票系统当中，有很多个竞争的进程想要访问（读，写）系统的数据库

访问规则是：在任何时候，可以允许多个进程同时来读，但如果有一个进程想要更新（写）

）该数据库，则其他的任何进程都不能访问，包括读者和写者，问题是：

怎样来编程实现读者和写者

问题分析：

任何时候“写者”最多只允许一个，而读者可以有多个

“读 – 写”是互斥的

“写 – 写”是互斥的

“读 – 读”是允许的

对于基于读者优先策略的方法，只要有一个读者处于活动状态，后来的读者都会被接纳。

如果读者源源不断的出现的话，那么写者就终止处于阻塞状态。

’