操作系统进程同步

Posted 2021-10-26 桃陉

目录

• • • 1.进程的互斥
    • • 1.1临界资源和临界区
      • 1.2遵循准则
      • 1.3使用硬件实现互斥
      • 1.4信号量实现互斥
    • 2.进程的同步
    • • 2.1生产者\\消费者问题
      • 2.2读者\\写者问题
    • 3.进程之间的通信
    • • 3.1共享内存方式
      • 3.2管道通信机制
      • 3.3消息传递机制
    • 4.管程
    • 5.思维导图

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1.进程的互斥

进程互斥是进程同步控制中的一种特例。

1.1临界资源和临界区

临界资源：某段时间内只允许一个进程使用的资源。

临界区：使用临街资源的那一部分程序。

1.2遵循准则

为了提供对互斥的支持，系统必须满足以下条件：

（1）空闲让进：某进程退出临界区，刚好有其他进程等待进入临界区，那么就让它进入。

（2）忙则等待：有进程在临界区中，其他进程必须进行等待。

（3）有限等待：不能让一个进程在临界区中无限运行，在有限时间内让它退出。

（4）让权等待：如果有优先级更高的进程在等待区中，那么就让临界区的进程让位。

1.3使用硬件实现互斥

中断禁用：保证进程进入临界区后不被打断，有效的实现互斥。

while(true)
{
	/*禁用中断*/
	  临界区
	/*启用中断*/
}

缺点：
（1）代价太高，会降低执行效率
（2）不能用于多核处理器结构

专用机器指令：compare_and_swap 指令

优点：
（1）适用范围广
（2）使用简单
（3）可支持多个临界区

缺点：
（1）导致CPU空耗，当一个进程等待进入临界区时，会不断地持续检测
（2）导致饥饿进程，都有多个进程都等待进入临界区是，在某些极端情况下可能会导致某个进程永远无法进入临界区。

1.4信号量实现互斥

信号量是一个数据结构，简写为s。主要有两个原语操作wait和signal。

原语wait(s)：用于申请一个资源，有时候写为P

void wait(semaphore s)
{
	//申请时，资源数减一，如果此时资源数小于0，说明无空闲资源，那么将进程阻塞，并将其放入等待队列
	s.value=s.value-1;
	if(s.value<0)
		block(s.queue);
}

原语signal(s)：用于释放一个资源，有时候写为V

void signal(semaphore s)
{
	//将资源数加一，如果此时资源数小于等于0，那么将进程唤醒，并将其放入就绪队列
	s.value=s.value+1;
	if(s.value<=0)
		wakeup(s.queue);
}

信号量的物理含义：在使用时对信号量进行初始化，注意初始值应该大于等于0。

在使用wait和signal原语时需要注意使用顺序，否则可能会出现死锁。

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2.进程的同步

在使用信号量实现进程同步时，一个信号量需要和一个消息对应起来。

2.1生产者\\消费者问题

问题描述：生产者生产产品放入缓冲区中，当缓冲区满时则发生阻塞。消费者从缓冲区中取出产品，当缓冲区为空时，则发生阻塞。

解决方案：这里我们设置三个信号量，S1、mutex、S2，分别表示缓冲区是否还有空位、该时刻只可以进行一个操作（生产或者消费）、缓冲区是否已满；定义两个变量i和j分别指向生产产品的位置和消费产品的位置。

2.2读者\\写者问题

问题描述：读者和写者共享一组数据区，允许多个读者同时执行读操作，不允许读者、写者同时操作，不允许多个写者同时操做。

解决方案：假设读优先，即有写着等待，但是有其他读者读，那么新读者也可以进行读操作。设置信号量w用于读者和写者、写者和写者之间的互斥；设置信号量readcount表示正在读的读者个数；设置mutex来对readcount这个临界资源的互斥访问。

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3.进程之间的通信

进程之间根据通信内容可以分为控制信息的传送和大批量数据的传送；根据高级通信机制可以分为：共享内存方式、管道通信机制、消息传递机制。

3.1共享内存方式

使用共享内存可以避免对一个内容的反复访问，但是要注意实现存储区访问的互斥。

3.2管道通信机制

管道通信用于连接一个读进程和一个写进程，实现进程之间通信的一种共享文件，又称为pipe文件。

以字符流形式将大量数据送入管道，它可以传送大量数据，因此被广泛采用。

3.3消息传递机制

以信息为单位，可以分为直接通信方式和间接通信方式。

直接通信方式：发送进程直接将消息发给接受进程，接受进程可以接受任意发送发的消息，并且知道发送方是谁。

简介通信方式：消息并不直接送达，而是发送到临时消息队列（信箱）。具有很大的灵活性，可以一对一、一对多、多对多、多对一。

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4.管程

把分散在各进程中的临界区集中起来进行管理，防止进程有意或者无意的违法同步操作。

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5.思维导图