操作系统：进程间的相互作用(多线程基础)

Posted 2020-08-22 子烁爱学习

进程间的相互作用

两种相互作用

同步

多个相关进程在执行次序上的协调。

制约关系：直接制约。

如图所示：一个进程在执行操作的时候，另一个进程必须等待，体现在次序上的等待和协调，并不争夺临界资源。

互斥

多个进程因为争夺临界资源二相互排斥执行的过程称为进程的互斥。

临界资源：也称为独占资源，是指在一段时间内只允许一个进程访问的资源。

制约关系：间接制约。 

 

解决并发进程的问题

一.加锁法——自旋锁

思路：

　　设置一个共享变量W (锁) ,初值为0。当一个进程想进入其临界区(进程中涉及临界资源的程序段)时,它首
先测试这把锁:如果锁的值为0,则进程将其置为1并进入临界区。若锁已经为1,则进程等待直到其变成0。
实现：
　　加锁原语：LOCK(W) ：L: if W=1 then goto L else W=1;
　　解锁原语：UNLOCK(W):W=0;

二.信号量和PV操作

信号量：
☻说明：
　　　　表示资源的实体——是一个与队列有关的整型变量。

说明：其值只能通过初始化操作和P、V操作来访问。

☻ 类型：
　　公用信号量：用于进程间的互斥，初始值通常为1.
　　私有信号量：用于进程间的同步，初始值通常为0或N .
☻P操作(Wait操作)：
proberen——检查。意味着请求分配一个单位资源。

S=S-1
 if(S<0)
 {
    //调用进程被阻塞，进入S的等待队列
 }

 
☻V操作(Signal操作)：
荷兰语“verhogen”——“增量”之意,意味着释放/增加一个单位资源。

S=S+1;
if(S<=0)
{
    //从S的等待队列中唤醒一个进程使其进入就绪状态
}

☻使用PV实现互斥

☻使用PV实现进程同步

IPC经典问题

生产者消费者问题(有限缓存问题)

描述:生产者和消费者共享n个缓冲区,生产者生产产品放入缓冲区,消费者从缓冲区中取产品消费。请写出能够正确反映它们逻辑关系的代码

　　

两个隐含条件：

　　1.消费者和生产者数量不固定。

　　2.消费者和生产者不能同时使用缓存区。

行为分析：

　　生产者：生产产品，放置产品(有空缓冲区)。

　　消费者：取出产品(有产品)，消费产品。

行为关系：

　　生产者之间:互斥(放置产品)

　　消费者之间:互斥(取出产品)

　　生产者与消费者之间：互斥(放/取产品) 同步(放置——取出)

信号量设置：

　　semaphore mutex =1;//互斥

　　semaphore empty=n;//空闲数量

　　semaphore full=0;//产品数量

伪代码：

semaphore mutex=1 //互斥
semaphore empty=n //缓冲区空闲数
semaphore full=0 //产品数量

生产者：
while(1)
{
    product; //生产
    p(empty);
    p(mutex);
    add to buffer;//放置产品
    v(mutex);
    v(full)
}

消费者：
while(1)
{
    p(full);
    p(mutex);
    get from buffer;//取出产品
    v(mutex);
    v(empty)
    conseume; //消耗
}

 

 读者写者问题

描述：一个数据对象(文件、记录)可以为多个并发进程共享。其中有的进程只需要读其中的内容,我们称为“读者”;有的进程负责更新(读写)其中内容,我们称为“写者”。

　　　规定：“读者”可以同时读取共享数据对象;“写者”不能和其它任何进程同时访问共享数据对象。

　　

行为分析：

　　Ø读进程的行为：

• 系统中会有多个读进程同时访问共享数据。
• 我们可以将它们分为三类：第一个进入的读进程(占有资源),最后一个离开的读进程(释放资源)和其他读进程。
• 我们需要设置一个计数器readnum来记录读进程的数目。

　　Ø写进程的行为：排他性的使用资源。

　　Ø确定同步与互斥关系：

　　　　读者-读者:互斥访问readnum

　　　　读者-写者:互斥访问Data

　　　　写者-写者:互斥访问Data

　　Ø确定临界资源：

　　　　Data,readnum

信号量设置：

　int readnum=0;

　semaphore mutex=1;//公用信号量，用于readnum的互斥。

　semaphore write=1;//公用信号量，用于Data访问的互斥。

伪代码：

int readnum=0; //计数,用于记录读者的数目
semaphore mutex=1; //公用信号量,用于readnum互斥
semaphore write=1; //公用信号量,用于Data访问的互斥,

读者：
p(mutex) //对readnum互斥
readnum++;
if(readnum==1)
    P(write) //申请使用data资源
V(mutext) //释放readnum

reading;

p(mutex) //对readnum互斥
readnum--;
if(readnum==0)
    V(write) //释放data资源
V(mutext) //释放readnum

写者：
//P(mutex)
P(write) //write本身已经互斥
writing;
v(wirte) 
//V(mutex)

 

　理发师问题　　

描述：理发店有一位理发师和一把理发椅。如果没有顾客,则理发师在理发椅上睡觉;当有顾客到达时,如理发师在睡觉则唤醒他理发,如果理发师正忙着理发,则坐在椅上等待。　　　编写程序实现理发师和顾客行为的正确描述。 

　　

行为分析：

　　Ø理发师行为:睡觉、理发。没有顾客睡觉，有顾客理发。

　　Ø顾客行为:理发或等待。

　　Ø相互作用：

　　　　理发师与顾客之间:同步

　　　　顾客与顾客之间：无

信号量设置：

　　semaphore customers=0; //customers表示等候理发的顾客数量

　　semaphore barbers=0;  //barbars表示等候顾客的理发师数量

伪代码：

semaphore customers=0; //customers表示等候理发的顾客数量
semaphore barbers=0;  //barbars表示等候顾客的理发师数量

理发师代码：
while(1)
{
    p(customers) //检查是否有顾客
    v(barbers)  //告诉顾客有发型师
    Cut_hair();

}

顾客代码：
V(customers)
p(barbers);
Get_hair();

 

这里主要体现了进程的同步。如有疑问，请看信号量介绍的同步实现。

增加条件：理发店有n把椅子,顾客到达时如果理发师空闲则理发,如果理发师忙,则看椅子上是否还有空位置,有空位置等待,没有空位置就离开。

伪代码：

semaphore customers=0; //customers表示等候理发的顾客数量
semaphore barbers=0;  //barbars表示等候顾客的理发师数量
int waiting =0;     //等待人数
semaphore mutex=1;  //用于waiting的互斥


理发师进程：
while(1)
{
    p(customers) //检查是否有顾客
        P(mutex);
            waiting=waiting-1;
        v(mutex);
    v(barbers)  
    Cut_hair();

}

顾客进程：
P(mutex) //占空椅子的操作是互斥的，即一个一个占
if(waiting<n) then  //如果座位未满
{
    waiting=waiting+1;
    V(mutex);
    V(customers);
    P(barbers); //检测是否有理发师
    Get_haircut();
}
else
{
    V(mutex); //表示座位已经满了
}

使用PV操作的注意事项

　　　1.P、V操作(对同一信号量)总是成对出现的;互斥操作时他们处于同一进程中;同步操作时他们处于不同进程中。

　　　2.信号量初始值的设置和P、V操作的位置及次序是关键,要十分小心的设置,一定要保持正确的逻辑关系和较高的执行效率。