【操作系統】 管程機制

基本概念

在信號量機制中，每個要訪問臨界資源的進程都必須自備同步的PV操作，大量分散的同步操作會給系統管理帶來麻煩，且容易因為同步操作不當而導致系統死鎖。於是便產生了一種新的進程同步工具——管程（Monitors）。

管程（Monitors）：是一個資源管理模塊，其中包含了共享資源的數據結構，以及由對該共享數據結構實施操作的一組過程（方法）所組成的資源管理程序。

管程中包含條件變量，用於管理進程的阻塞和喚醒。其形式為 condition x；對它的操作僅有wait和signal。

　　x.wait：正在調用管程的進程因 x 條件需要被阻塞或掛起，則調用 x.wait 將自己插入到 x 條件的等待隊列上，並釋放管程，直到 x 條件變化。此時其它進程可以使用該管程。

 　　x.signal：正在調用管程的進程發現 x 條件發生了變化，則調用 x.signal，重新啟動一個因 x 條件而阻塞或掛起的進程。（與信號量的signal不同，沒有s:=s+1的操作）

 

個人理解：

1. 管程相當於把對臨界資源的操作封裝了起來，當進程要對資源進行操作時，只要調用管程中的方法就可以了，而不用進程自己擔心同步和互斥的問題，管程的內部有自己的一套機制進行同步與互斥。
2. 管程中每次只允許一個進程進入管程。
3. 當調用管程的進程因為某原因阻塞或者掛起時，把這個原因定義為一個條件變量x。
4. x.wait操作就是把自己放到一個隊列上，這個隊列上的進程都是因為x原因而阻塞的。
5. x.signal操作就是讓在x阻塞隊列上的一個進程重新啟動。

相對形象的比喻：假如一個管程叫ATM（取款機），其包含兩個方法：存款和取款，不同的人代表不同的進程，但是ATM只允許一個人在一個時間段中進行操作，當一個人在使用時，其他的人只能wait。此外，一個人如果使用的時間太長也不行，所以需要一個條件變量來約束他。

比如一個人在操作ATM時突然接電話了，沒法繼續操作，把這個原因記為x，執行x.wait，讓他離開ATM機，去接電話的隊列中等待。等到打完電話，即調用了x.signal后，他就可以繼續操作ATM了（一般令正在操作ATM的人操作完后，他才能重新進去）。

 

實際應用：

 生產者-消費者問題

建立producer-consumer管程，其中包括兩個方法：

1.put(x)：生產者利用該過程將自己生產的產品投放到緩沖池中，並用整型變量 count 來表示在緩沖池中已有的產品數目，當 count≥n 時，表示緩沖池已滿，生產者須等待。

2.get(x)：消費者利用該過程從緩沖池中取出一個產品，當 count≤0 時，表示緩沖池中已無可取用的產品，消費者應等待。

兩個條件變量：notfull和notempty，代表進程阻塞原因

producer-consumer管程的描述：

type producer-consumer=monitor
    Var in,out,count: integer；
        buffer: array[0, …, n-1] of item；
        notfull，notempty:condition；  //條件變量
        procedure entry put(item)
            begin
               if count>=n then notfull.wait；  //緩沖池已經滿了，生產者需要等待（我覺得命名為full可能更好，代表原因；不過也可以理解為：等到notfull才繼續執行）
                   buffer(in):=nextp；
                   in:=(in+1) mod n；
                   count:=count+1；
                   if notempty.queue then notempty.signal；  //喚醒一個在notempty隊列中等待的進程
            end
        procedure entry get(item)
            begin
               if count<=0 then notempty.wait；
                   nextc:=buffer(out)；
                   out:=(out+1) mod n；
                   count:=count - 1；
               if notfull.quene then notfull.signal；
            end
      begin in:=out:=0；
count:=0
end

　

生產者-消費者的描述：

producer: begin
		repeat
			produce an item in nextp；
			PC.put(item)；
		until false；
	   end
consumer: begin
		repeat
			PC.get(item)；
			consume the item in nextc；
		until false；
	   end

　　

參考資料：《計算機操作系統（第三版）》（湯小丹等著）