操作系統--進程的互斥與同步

進程互斥

進程互斥：在多個程序中，有兩個進程不可以同時進行（例如讀，寫操作）。

 

競爭資源（臨界資源）

• 當並發進程競爭使用同一資源時，他們之間就會發生沖突。如果操作系統將資源分配給其中的某一個進程使用，另一個進程就必須等待，直到申請的資源可用時，由操作系統分配給他們。

• 如果競爭資源的進程太多，這些進程還必須等待在一個隊列中，如就緒隊列，阻塞隊列等。

• 一種極端的情況是，被阻塞進程永遠得不到申請的資源，而死鎖。

采用互斥方式，使用臨界資源

資源的互斥，進程使用上述這類資源的時候，只能有一個進程對資源進行處理。下面是臨界區的使用圖和注解。

                                           

 

進程同步

多個進程常常需要共同修改某些共享變量，表格，文件數據庫等，協作完成一些功能。這個時候，就需要用到進程之間的同步。

我們把異步環境下的一組並發進程因直接制約而互相發送消息、進行互相合作、互相等待，使得各進程按一定的速度執行的過程稱為進程間的同步。

 

 

進程同步和互斥的解決方法

互斥與同步的解決方法--軟件方法

控制p0，p1互斥的進入臨界區。

while循環為進入區應該做的事情。當不符合條件的時候，進行do{nothing}操作。

 

使用軟件解決方法，有一個公認的比較好的算法，為Dekker算法。下面是Dekker算法介紹。

Dekker算法介紹：

       

上面是Dekker算法的偽代碼，還有p0進程的執行流程圖。

 

 

互斥與同步的解決方法--硬件方法

硬件方法包括屏蔽中斷和專用機器指令。

屏蔽中斷：

由於進程切換需要依賴中斷來實現，如果屏蔽中斷，則不會出現進程切換。

因此，為了實現對臨界資源的互斥使用，可以在進程進入臨界區之前，屏蔽中斷。當進程退出臨界區時，打開系統中斷。這樣就實現了同步和互斥的問題的解決。

專用機器指令：

(指令系統是計算機硬件的語言系統，也叫機器語言)

利用一些專用機器指令也能實現互斥，機器指令在一個指令周期內執行，不會受到其他指令的干擾，也不會被中斷。

下面就是一個使用機器指令的例子：

             

（左邊為機器指令方法，右邊為實現代碼）

 

 

互斥與同步的解決方法--信號量

 

信號量方法，就是用一個信號量來控制進程之間的使用。（就像是交通中的紅路燈（信號量）與汽車之間的關系和作用）

     ​信號量的類型（count）：

    ​     互斥信號量：用於申請或者釋放資源的使用權，常初始化為1.

    ​    ​ 資源信號量：用於申請或者歸還資源，可以初始化為大於1的正整數，表示系統中可用資源的個數。（比如說，我有多個顯示屏，那么就可以使用count表示顯示屏的個數。）

     信號量的操作：wait和signal（操作系統中，用系統調用的形式來提供wait和signal原語）

s.conut為為信號量

wait為申請資源   （優先於signal）

signal為釋放資源 （滯后於wait）

下面是wait，signal操作的偽代碼：

        

信號量的使用例子：

 

根據上面的信號量，我們可以總結出信號量的物理意義：

 

 

互斥與同步的解決方法--管程 

管程是一種在程序設計級控制進程互斥與同步的機制，具有信號量的功能，且更容易使用和控制。

管城只要用於面向對象程序設計。

 

互斥與同步的解決方法--通訊機制

 

消息一般格式：

 

 

消息傳遞同步操作原語：

兩個進程之間的通訊，需要一些操作。我們使用操作系統提供的原語來完成這些操作。

send原語：發送消息

receive原語：接受消息，如果沒有消息可以接受，那么則等待。

 

常用的進程通訊：

1. 基於共享存儲區的方法

2. 郵箱的方式

分別介紹：

基於共享存儲區的方式：

通訊的雙方是基於共享存儲區來通訊的。這個共享數據區屬於每個相互通訊的進程的組成部分。然后通訊之間向里面存儲數據，提取數據。

郵箱方式： 

只要保證郵箱中，只有一個消息，那么就可以實現消息之間的互斥這樣，就保證了進程之間的互斥。