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  • 文章目录进程同步互斥一、进程同步二、进程互斥进程互斥的软件实现方法1.单标志法2.双标志先检查法3.双标志后检查法4.Peterson算法进程互斥的硬件实现方法1.中断屏蔽方法2.TestAndSet指令3.Swap指令信号量机制1.整型...

    进程同步互斥

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    一、进程同步

    异步 同步
    各并发执行的进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进 又称直接制约关系,它是指为完成某种任务而建立的两个或者多个进程,这些进程因为需要在某些位置上协调他们的工作次序而产生的制约关系

    二、进程互斥

    进程同步 进程互斥
    直接约束关系 间接制约关系

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    进程互斥的软件实现方法

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    1.单标志法

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    2.双标志先检查法

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    3.双标志后检查法

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    4.Peterson算法

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    进程互斥的硬件实现方法

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    1.中断屏蔽方法

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    2.TestAndSet指令

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    3.Swap指令

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    信号量机制

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    1.整型信号量

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    2.记录型信号量

    超重要
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    三、用信号量实现进程互斥、同步、前驱关系

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    1.信号量机制实现进程互斥

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  • 4.1进程同步互斥概念 思考: 为什么引入进程同步的概念? 不同进程之间存在着制约关系,为了协调这样的制约关系,引入该概念。 1.同步:直接制约关系 2.互斥:间接制约关系 3.临界资源:在一段时间内只允许一个进程...

    4.1进程同步互斥概念

    思考:
    为什么引入进程同步的概念?
    不同进程之间存在着制约关系,为了协调这样的制约关系,引入该概念。
    1.同步:直接制约关系
    2.互斥:间接制约关系
    3.临界资源:在一段时间内只允许一个进程访问的资源。临界资源要求互斥地共享,或互斥地访问。
    访问临界区的过程:

    do {	
      entry section	//进入区	
      critical section//临界区
      exit  section//退出区
      reminder section//剩余区
    } while (1);
    

    4,为禁止两个进程同时进入临界区,同步机制应遵循以下准则:
    空闲让进:
    忙则等待:
    有限等待:当一个进程申请进入临界区,应限制其它进程进入临界区的次数,以便申请的进程有机会进入临界区。
    让权等待:等待的时候释放CPU的执行权。

    4.2实现临界区互斥的基本方法

    1.软件实现方法:Peterson’s Algorithm,利用turn解决了饥饿。

    //Pi
    do{
    	flag[i] = TRUE;//进入区 表示进程i 想进入临界区
    	turn = j;//进入区 表示现在轮到进程j 进入临界区了
    	while(flag[j] && turn == j);//进入区  如果进程j 在临界区中那么i 不能进去
    	//临界区
    	flag[i] = FALSE;//退出区
    	//剩余区
    } while(TRUE);
    
    //Pj
    do{
    	flag[j] = TRUE;//进入区 表示进程j 想进入临界区
    	turn = i;//进入区 表示现在轮到进程i 进入临界区了
    	while(flag[i] && turn == i);//进入区  如果进程j 在临界区中那么i 不能进去
    	//临界区
    	flag[j] = FALSE;//退出区
    	//剩余区
    } while(TRUE);
    

    2.硬件实现方法:

    1)中断屏蔽方法:修改共享变量时禁止一切中断产生。适用于非抢占内核。不适用于多处理器环境,因为将消息传递给所有处理器时,消息传递导致进入每个临界区都会延迟。
    2)特殊硬件指令方法:TestAndSet是原子操作,可读出指定标志后把标志设置为真。

    boolean TestAndSet(boolean *target){
      boolean rv=*target;//保存锁原来的状态
      *target=true;//加锁
      return rv;//返回原来的锁的状态
    }
    
    //实现互斥的算法如下:
    do{
       while(TestAndSet(&lock));//只要锁原状态是true,那么表示该临界资源有其他进程在访问,所以这里就要一直监测,直到临界资源不再被其他进程占用
       //临界区
       lock=false;//访问完毕,下锁
       //剩余区
    }while(1)
    

    思考:
    Swap指令:你能写出指令和算法的伪代码吗?(p80)
    优点:适用于任意数目的进程,单处理机和多处理机都可;支持进程内有多个临界区,只需为每个临界区设立一个bool量。
    缺点:不能实现让权等待,从等待进程中随机选择一个进入临界区,有的进程可能一直选不上,导致饥饿。

    4.3信号量

    1.整型信号量
    2.记录型信号量
    3.实现同步
    4.实现互斥
    5.实现前驱关系

    大量例题和练习题参考老师的PPT

    4.4管程

    4.5死锁

    1.定义:多个进程因竞争资源而造成的一个僵局(互相等待),若无外力作用,这些进程都将无法向前推进。
    1)死锁是指一组处于等待(阻塞)状态的进程,每一个进程持有其它进程所需要的资源,而又等待使用其它进程所拥有的资源,致使这组进程互相等待,均无法向前推进。
    2)死锁是指一组处于等待(阻塞)状态的进程,互相等待只有这组进程才能产生的事件,致使这组进程都无法往前推进,这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。
    饥饿:长时间处于阻塞或就绪,但不是互相等待。死锁是互相等待,处于阻塞状态。

    2.资源分配图表达形式:进程Pi 到资源类型Rj 的有向边Pi–>Rj,表示进程Pi 已经申请了资源类型Rj 的一个示例,并且正在等待该资源。即Pi -->Rj称为申请边,有向边Rj -->Pi称为分配边
    *如果资源分配图无环,那么不存在死锁。如果有环每个资源类型只有一个示例会出现死锁。(充分必要条件)
    *
    3.产生原因
    1)系统资源的竞争:对不可抢占资源的竞争。
    2)进程推进顺序非法:请求和释放资源不当、信号量使用不当。
    3)死锁产生的必要条件,只要以下条件任意一个不成立就不会产生死锁。(必要条件就是即使这个条件存在也不一定是死锁,但是死不成立一定没有死锁)
    互斥条件:
    不抢占条件:
    占有并等待条件:进程已经占有了至少一个资源,此时又去申请另一个资源,如果这个资源被其他进程占用,那么请求进程被阻塞,它占用的资源也不会释放。
    循环等待条件:处于等待状态的进程集合{p1,p2,…,pn},且Pi的资源被Pi+1占用,Pn的资源又被P0占用。

    4.死锁的处理策略:破坏四个必要条件之一或者能检测死锁并实现恢复。
    死锁预防、避免死锁、死锁的检测与解除

    4.1 死锁预防
    破坏互斥条件(不可行)

    破坏非抢占条件:即允许进程已经占用的资源释放并给别的进程使用,这可能会导致释放资源的进程前一阶段工作失效并且反复申请和释放资源增加了系统开销。该方法一般用于状态易于保存和恢复的资源比如CPU寄存器和内存资源,一般不用于打印机之类的资源

    破坏占有并等待条件:进程在运行前申请完所有需要的资源,并且这些资源一直属于它,不再提出资源分配。缺点:系统资源被严重浪费,还可能个别资源被长期占用,导致需要它的进程饥饿

    破坏循环等待条件:使用顺序资源分配法,规定每个进程按照编号递增的顺序请求资源,同类资源一次申请完。缺点:编号稳定会限制新设备的增加;还是会发生作业使用资源的顺序与系统规定顺序不同的情况造成资源浪费;给用户编程带来麻烦。

    4.2 死锁避免
    允许动态申请资源,在分配资源之前应先计算资源分配的安全性,若此次分配不会导致系统进入不安全状态,则将资源分配给进程。

    思考:
    什么是安全状态?
    什么是安全序列?你知道如何找到一组安全序列吗?
    不安全状态一定是死锁状态吗?

    1.资源分配图算法
    需求变:虚线
    假分配–>判断是否有环–>有环即不分配;无环即真分配

    2.银行家算法
    操作系统–>银行家,资源–>资金,进程请求资源–>用户向银行贷款。
    算法思想:当进程首次申请资源,要测试该进程的资源最大需求量,如果系统资源可以满足则分配否则延迟分配。当进程在执行过程中继续申请资源,要测试申请的资源和已占有的资源综合是否超过其最大需求量,若超过则拒绝,若未超过则再来判断系统资源是否满足其申请量,满足即分配,否则继续推迟。系统最后要执行安全性算法,如果系统安全则分配,否则

    算法需要的数据结构
    Available:可利用资源向量,含m个元素的数组,Available[i]=k表示Rj 类资源有K个。
    Max:最大需求矩阵,n行m列,Max[i,j]=K表示Pi 需要Rj 类资源的最大数目。
    Allocation:分配矩阵,n行m列,Allocation[i,j]=K表示Pi 已经分得 Rj 类资源的数目为K。
    Need:需求矩阵,n行m列,Need[i,j]=K表示Pi 还需 Rj 类资源的数目为K。
    关系:Need=Max-Allocation

    思考:
    你能结合数据结构并结合算法思想描述出如下算法部分或者伪代码吗?
    资源请求算法部分
    安全性算法部分

    4.3 死锁的检测和解除
    根据矩阵Max Available Allocation Need矩阵等,如何判断是否有死锁呢?

    根据资源分配图怎么检测出是否有死锁呢?这可能会考到。
    题解:判断资源分配图是否可完全简化,不可的话就死锁。具体参考https://blog.csdn.net/baidu_41774120/article/details/101998375
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    step1:先看R1资源,它有三个箭头是向外的,因此它一共给进程分配了3个资源,此 时,R1没有空闲的资源剩余。

    step2:再看R2资源,它有一个箭头是向外的,因此它一共给进程分配了1个资源,此时,R2还剩余一个空闲的资源没分配。

    step3:看完资源,再来看进程,先看进程P2,它只申请一个R1资源,但此时R1资源已经用光了,所以,进程P2进入阻塞状态,因此,进程P2暂时不能化成孤立的点。

    step4:再看进程P1,它只申请一个R2资源,此时,系统还剩余一个R2资源没分配,因此,可以满足P1的申请。这样,进程P1便得到了它的全部所需资源,所以它不会进入阻塞状态,可以一直运行,等它运行完后,我们再把它的所有的资源释放。相当于:可以把P1的所有的边去掉,变成一个孤立的点,如下图所示:
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    step5:进程P1运行完后,释放其所占有的资源(2个R1资源和1个R2资源),系统回收这些资源后,空闲的资源便变成2个R1资源和1个R2资源,由于进程P2一直在申请一个R1资源,所以此时,系统能满足它的申请。这样,进程P2便得到了它的全部所需资源,所以它不会进入阻塞状态,可以一直运行,等它运行完后,我们再把它的所有的资源释放。相当于:可以把P2的所有的边都去掉,化成一个孤立的点,变成下图:
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    判断出死锁后,如何解除呢?
    资源抢占:挂起某些死锁进程并将它的资源分配给其他死锁进程,但要保证原进程不会长时间一直被挂起。
    撤销进程:撤销部分或者全部死锁进程并抢占资源。
    进程回退:回退到足以避免死锁的地步,这里不是剥夺它的资源,而是回退后它自己愿意释放。
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  • 进程同步互斥——不死锁哲学家问题 java实现。计算机系统原理,课程设计,(1)利用进程并发执行原理,采用奇数号哲学家先拿左叉子,偶数号哲学家先拿右叉子的算法解决哲学家就餐问题。 (2)利用java中Swing技术将...
  • 进程之所以会产生同步互斥问题,一切源于进程的并发执行。如果是单个进程的话,是不可能产生互斥同步问题的。 一个最经典的例子就是ATM问题: 进程互斥 由于各个进程要求使用共享资源,而这些资源需要排他性...

    进程之所以会产生同步和互斥问题,一切源于进程的并发执行。如果是单个进程的话,是不可能产生互斥和同步问题的。
    一个最经典的例子就是ATM问题:
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    进程互斥

    由于各个进程要求使用共享资源,而这些资源需要排他性使用,各个进程之间竞争使用这些资源,这一关系称为进程互斥。
    临界资源:系统中某些资源一次只允许一个进程使用
    临界区:各个进程中对某个临界资源实施操作的程序片段

    临界区使用原则

    • 没有进程在临界区时,想进入临界区的进程可以进入
    • 不允许两个进程同时处于临界区
    • 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程进入临界区
    • 不得时进程无线等待进入临界区

    进程互斥软件解决方案

    通过编程技巧,使用自旋锁,进行忙式等待。
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    进程互斥硬件解决方案

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    进程同步

    进程同步是指系统中多个进程中发生的事件存在某种时序关系,需要相互合作,共同完成一项任务。一个经典进程同步问题就是:生产者/消费者问题。
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    信号量及PV操作

    信号量:一个特殊变量,用于进程间传递信息的一个整数值
    定义:
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    对信号量可以执行的操作:初始化、P操作、V操作
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    信号量及PV操作解决互斥问题

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    信号量及PV操作解决生产者/消费者问题

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    #信号量及PV操作解决读者/写者问题

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    解法:
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    rc用来记录读者的数量,不需要每一个读者都执行PV操作,因为读可以共享,所以只需要第一个读者做P操作,最后一个读者做V操作,这样操作使得rc成为临界变量,其读写需要保持互斥。

    管程(Monitor)

    管程由关于共享资源的数据结构及在上操作的一组过程组成。作为一种同步机制,管程需要保证互斥和同步。
    互斥:由编译器负责保证。
    同步:管程中设置条件变量及等待/唤醒操作解决同步问题。
    (1)HOARE管程
    等待队列:定义了入口等待队列位于管程内部的紧急等待队列保证互斥进入管程
    条件变量:管程内部说明和使用的一种特殊类型的变量,可以执行wait()和signal()操作
    应用:在Java中可以用类似管程解决生产者/消费者问题
    (2)MESA管程
    将HOARE管程中的signal()改为notify(),避免了两次额外的进程切换。
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    进程通信

    为什么需要通信?
    进程的同步和互斥属于低级进程通信,效率低,对用户不透明。当进程之间要传送大量数据时,应当利用OS提供的高级通信工具,保证高效的传输大量数据。

    进程通信基本方式

    • 共享内存
    • 管道
    • 消息传递
    • 客户端-服务器系统:套接字、远程过程调用(RPC)
      举例:
      消息传递中有SEND和RECEIVE原语,可以用PV操作实现两种原语,从而可以用消息传递实现生产者/消费者问题。
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  • ------------------------------------------《进程同步互斥问题》------------------------------------------ 进程异步性:各进程并发的执行,以独立的不可预知的进度向前推进。 异步性使得进程可能不是按照...

    ------------------------------------------《进程同步互斥问题》------------------------------------------

    进程异步性:各进程并发的执行,以独立的不可预知的进度向前推进。

    异步性使得进程可能不是按照预期的想法进行,提出了进程同步机制。比如下面这个图

    同步就是直接制约关系

    进程互斥:一段时间内只允许一个进程使用得资源成为互斥资源,

    当对资源进行访问时,必须互斥进行,成为间接制约关系。

     

     --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

     

    单标志法:

    当前用标志的进程一直不进入临界区,后面的就得不到权限,违背了空闲等待原则。

    双标志先检查法:

    进入临界区之前先看一看别人有没有用的,没有的话把自己的标志设置为1然后进入临界区使用资源。先检查后上锁。

    问题就是:

    意思就是调度使得两个进程都被设置为1,导致两个进程同时进入临界区。

    双标志后检查法:

    就是把栓标志检查法的上锁标志放在检查之前,先上锁后检查。

    但是由于调度使得两个进程同时上锁,这时候就是谁也用不上。

     

     Peterson算法:

    双标志后检查法中或造成谁也不让谁,增加标示量,标示能否让别的进程抢在自己面前进入临界区。

     A谦让,B也谦让,B的为最后一句,A使用完之后让B用。

    未遵循让权等待原则。

     

    搞清楚进入区,然后让两个并发进行,看看结果有啥。

     

    中断屏蔽方法:

    多处理机时候,有可能多个处理机处理同一个临界区造成错误。

    开关中断权限特别大,不能随意让用户使用。只能有操作系统内核来操作。

    TS指令不能被中断:硬件实现,将一个指令上锁,不满足让权等待原则

    Swap指令:硬件实现,

     

    --------------------------------------------------------《信号量机制》-----------------------------------------

     

     

    整形信号量:

     

    原语是由关中断、开中断实现的。

     P:wait S-=1

    V:signal S+=1

    整形信号量:不满足让权等待会发生忙等。

     

    记录型信号量:不会发生忙等

    记录性信号量:

    在signal的时候检查一下信号量是不是负数,如果是负数就执行一个唤醒操作。一直唤醒直到标志量>=0。

    记录型信号量在P之后发现标志小于0,就会让当前进程进入自我阻塞状态,当前进程主动释放CPU,实现了让权等待原则,不会出现忙等状态。

    记录型信号量在V之后发现标志小于0,标明依然有进程在等待该资源,此时调用wakeup唤醒等待对列中的第一个资源,从阻塞态转化为就绪态。

    -----------------------------------信号量机制实现进程互斥--------------------------------

     PV成对出现, 

     

     

     信号量实现前驱关系:

    对应上面的同步,只能先V使得S++,然后才能进行下一步P操作。

     

    -----------------------------------------------《第二波》-------------------------------------------------

     生产者消费者问题:

    两个同步关系:当缓存区为空的时候,消费者需要等待生产者生产,当换股长宁区为空的时候,生产者需要等待消费者消费。

    一个互斥关系:互斥的使用临界区资源。

    实现互斥的PV操作应该放在同步的锁之后。

     

     

    当同步在互斥之后,就会发生生产者先P(mutex),然后P(empty}的时候发生堵塞,此时生产者等待消费者消费,但是消费者得不到权限,被生产者占有,所以造成死锁。此时的empty为0.

    同样的,另一种情况是消费者的。此时mutex为0.

    两个v操作可以互换位置。

     

    通常不会把使用产品放到PV操作中,虽然影响不大,但是代码量增多,影响同步效率。

     

    先同步后互斥。

    实现同步:前v后p。

    多生产者多消费着:生产和消费的种类有多个。

    同步:抽象为一个时间发生另一个事件之前。

    读者写着问题:

     

    只有互斥条件,需要多个条件,哲学家进餐文题。

    哲学家进餐:

    1.一次性最多只有n-1个人进餐,这样肯定有一根筷子剩下来。

    2.奇数位置的抢左边,偶数位置的抢右边,这样两个人一定会有一个人阻塞状态,从而避免死锁。

    3.只有两个筷子都拿起来的时候才能进行,否则就会被阻塞,其他的也都会被阻塞。知道当前的他所需要的筷子都被拿起来。 

    转载于:https://www.cnblogs.com/0123wtdd/p/10910737.html

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  • 操作系统进程同步互斥经典问题之读者写者问题
  • 操作系统进程同步互斥经典题之消费者与生产者问题
  • windows进程同步互斥

    2014-07-01 15:42:45
    Windows 临界区,内核事件,互斥量,信号量。...适用范围:它只能同步一个进程中的线程,不能跨进程同步。一般用它来做单个进程内的代码快同步,效率比较高。 相关结构:CRITICAL_SECTION _critical 相关方法
  • 一. 什么是管程 管程(Monitors) 指的是管理共享变量以及对...而管程封装了同步操作,对进程隐蔽了同步细节,简化了同步功能的调用界面,使得用户编写并发程序如同编写顺序(串行)程序一样简单。 引入管程机制的目的:
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  • Windows中进程同步互斥

    千次阅读 2014-03-05 00:49:56
    Windows 临界区,内核事件,互斥量,...适用范围:它只能同步一个进程中的线程,不能跨进程同步。一般用它来做单个进程内的代码快同步,效率比较高。 相关结构:CRITICAL_SECTION _critical 相关方法: /*初始化,最先调
  • 信号量解决进程同步互斥习题

    千次阅读 2019-10-27 18:43:44
    试用信号量机制解决进程互斥同步问题 //这里分析,对于father和mother而言,盘子是临界资源,同一时刻只能有一个往盘子里放水果 //对于mother和son而言,存在着同步关系,mother放完orange等着son吃,son吃完等着...
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  • 进程同步互斥——读者写者问题

    千次阅读 2012-12-14 14:44:28
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  • 进程同步和进程互斥

    2020-07-13 09:05:42
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  • 第四章 进程同步与互斥 1.进程间的相互作用 识记 与时间有关的错误 进程同步互斥举例 2.进程互斥 领会 临界区 使用临界资源的程序 临界区的使用规则 有空让进 无空等待 多中择一 有限等待 ...

空空如也

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进程同步互斥