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  • 操作系统-------wait和signal函数原型
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    2020-05-12 16:42:45

    这里的信号量机制采取的是记录型信号量(如果采取整型信号量会不满足让权等待)

    //记录型信号量的定义
    typedef struct 
    {
    	int value;          //剩余资源数 
    	struct procees *L   //等待队列 
    } semaphore; 
    
     
    void wait (semaphore mutex)  
    {                       //wait 原语
    	mutex.value--; 
    	while (mutex.value<0)   //如果临界资源不够,就进入block原语 
    	    block(mutex.L);           
    }
    
    void siganl (semaphore mutex)
    {                           //signal原语 
    	mutex.value++;           
    	if(mutex.value<=0)      //如果还有进程未执行,执行wakeup原语进行唤醒
    	 
    		wakeup(mutex.L)
    }

    这两个函数是两个原语,原语的意思是,一旦这个函数执行,中间就不会切换进程,知道这一个原语执行结束才可能出现切换进行。至于这个原语操作是怎样实现的,这就属于另外的问题了,这里不再做阐述。 

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  • pv操作又称wait,signal原语。 主要是操作进程中对进程控制的信息量的加减控制。 wait用法: wait(num),num是目标参数,wait的作用是使其(信息量)减一。 signal用法: signal(num),num是目标参数,signal的作用是使...

    操作系统的pv操作是很核心的概念。

    临界区 : 我们把并发进程中与共享变量有关的程序段称为临界区。

    信号量 : 信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时,表示当前可用资源的数量;当它的值小于0时,其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。

    进程的互斥:是指当有若干个进程都要使用某一共享资源时,任何时刻最多只允许一个进程去使用该资源,其他要使用它的进程必须等待,直到该资源的占用着释放了该资源。
    进程的同步:是指在并发进程之间存在这一种制约关系,一个进程依赖另一个进程的消息,当一个进程没有得到另一个进程的消息时应等待,直到消息到达才被唤醒。

    pv操作又称wait,signal原语。
    主要是操作进程中对进程控制的信息量的加减控制

    wait用法:
    wait(num),num是目标参数,wait的作用是使其(信息量)减一。
    如果信息量>=0,则该进程继续执行;否则该进程置为等待状态,排入等待队列。
    signal用法:
    signal(num),num是目标参数,signal的作用是使其(信息量)加一。
    如果信息量>0,则该进程继续执行;否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

    一下提供两个例题,答案仅供参考。
    1.有一阅览室,共有100个座位。读者进入时必须先在一种登记表上登记,该表为每一座位列一个表目,包括座号和读者姓名。读者离开时要注销掉登记内容。试用wait和signal原语描述读者进程的同步问题。
    在这里插入图片描述
    首先提供一份我参考的答案网址
    https://www.ppkao.com/tiku/shiti/10058883.html
    然后·我个人理解的代码(解释基本在注释中):

    定义seats为阅览室剩余座位,初值100
    
    定义r_num为当前阅览室内读者人数,初值0
    
    定义互斥描述 m,初值1
    
    定义读者进入的进程定义为in(),反之out()
    
    则:in(){//进入
    
    while(1){
    
    wait(seats);//seats>0有位置,否则离开
    
    位置信息量减1,
    填表是大家的共享资源,既是临界区
    wait(m);开始填表;
    signal(m)结束填表;
    读者信息量加1;
    
    signal(r_num)//添加一个读者人数,r_num+1
    
    }
    
    }
    
    out(){
    
    while(1){
    
    wait(r_num)//读者数>0有人离开,减少一个读者人数,r_num-1
    
    读者信息量减1;
    
    wait(m);拿其表;
    signal(m)勾选表,放下表;
    消除表登记信息;
    
    位置信息量加1;
    
    signal(seats);//人离开阅览室,释放位置资源
    
    }
    
    }
    
    
    

    2.这个题是按我自己理解写的,无任何参考(可能有错)

    在这里插入图片描述
    (1)小问可以看成经典的生产消费模型,
    共用资源是独木桥,且同时只允许一人通过。

    定义上桥为walkUp(),是生产者进程,
    反之walkDown(),是消费者进程。
    
    定义桥上有人isTrue初值为0
    定义桥上无人isFalse初值为1
    
    walkUp(){
    while(1){
    P(isFalse);//无人则上桥,代表现在有人了
    无人信息减一;
    有人加一代表有人;
    V(isTrue);//有人了
    }
    }
    walkDown(){
    
    while(1){
    P(isTrue);//现在走下来了,就没人了
    
    有人信息减一,代表无人
    V(isFalse);//加一代表没人
    }
    }
    
    

    (2)小问

    设信号量: MUTEX=1 (东西方互斥)
          MD=1    (东向西使用计数变量互斥)
       MX=1    (西向东使用计数变量互斥)
    设整型变量: CD=0  (东向西的已上桥人数)
            CX=0  (西向东的已上桥人数)
    
    从东向西:
    P (MD)
    IF (CD=0)
    {P (MUTEX)  }
    CD=CD+1
    V (MD)
    过桥
    P (MD)
    CD=CD-1
    IF (CD=0)
    {V (MUTEX)  }
    V (MD)
    从西向东:
    P (MX)
    IF (CX=0)
    {P (MUTEX)  }
    CX=CX+1
    V (MX)
    过桥
    P (MX)
    CX=CX-1
    IF (CX=0)
    {V (MUTEX)  }
    V (MX)
    

    有些不规范,如果有错,希望大家多多指教!

    加油!

    ps:第二次修改,学艺不精,例题坑了(少写,有错)部分同学!不好意思!现在改了,我把例题及一些其他概念也补充了一些,虽然可能还是不太好!

    展开全文
  • 记录型信号量的wait和signal wait -- &lt;0 进程加到链表 signal ++ &lt;=0 唤醒阻塞进程       有关进程的几个问题 进程切换的时候发生了什么 进程当前暂存信息 下一...

    处于挂起状态的进程不能接受处理机调度

     

    同步机制遵循的规则:

    • 空闲让进
    • 忙则等待
    • 有限等待
    • 让权等待

    记录型信号量的wait和signal

    wait--<0进程加到链表
    signal++<=0唤醒阻塞进程

     

     

     

    有关进程的几个问题

    进程切换的时候发生了什么进程当前暂存信息
    下一指令地址信息
    进程状态
    过程和系统调用参数及调用地址信息
    什么引起进程创建用户登录
    作业调度
    提供服务
    用户请求
    进程创建的流程调用进程创建原语create()
    申请空白PCB
    为新进程分配资源
    初始化进程控制块
    将新进程插入就绪队列
    什么引起进程撤销正常结束
    异常结束
    外界干预
    进程撤销的流程根据被终止进程标识符,从PCB集中检索出进程PCB,读出该进程的状态
    若被终止进程处于执行状态,立即终止该进程的执行,置调度标志真,指示该进程被
    终止后重新调度
    若该进程还有子进程,应将所有子孙进程终止,以防它们成为不可控进程
    将被终止进程拥有的全部资源,归还给父进程,或归还给系统
    将被终止进程 PCB 从所在队列或列表中移出,等待其它程序搜集信息
    什么引起进程的阻塞和唤醒请求系统服务
    启动某种操作
    新数据尚未到达
    无新工作可做
    进程的制约关系分几种,是什么直接,间接

    管程由哪几部分组成

    1管程的名称
    2局部于管程内部的数据结构
    3对该数据结构进行操作的一组过程
    4对局部于管程内部的共享数据设置初值的语句

     

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  • 进程 进程组成 引入多道程序后,为了方便操作系统管理,完成各程序并发执行,引入了进程进程实体的概念。内存中同时放入多道程序,各个程序的代码、运算数据存放的位置不同。操作系统要怎么才能找到各程序的存放位置...

    进程

    进程组成

    引入多道程序后,为了方便操作系统管理,完成各程序并发执行,引入了进程进程实体的概念。内存中同时放入多道程序,各个程序的代码、运算数据存放的位置不同。操作系统要怎么才能找到各程序的存放位置呢?系统为每个运行的程序配置一个数据结构,称为进程控制块(PCB),用来描述进程的各种信息(如程序代码存放位置)

    PCB、程序段、数据段三部分构成了进程实体(进程映像),将进程实体就简称为进程,所谓创建进程,实质上是创建进程实体中的PCB;而撤销进程,实质上是撤销进程实体中的PCB。在这里插入图片描述
    注意:PCB是进程存在的唯一标志
    在这里插入图片描述

    从不同的角度,进程可以有不同的定义,比较传统典型的定义有:

    1. 进程是程序的一次执行过程。
    2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
    3. 进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程,它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

    进程是进程实体的运行过程,是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程实体和进程并不一样,进程实体是静态的,进程则是动态的

    进程组织

    在一个系统中,通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理,应该用适当的方式把这些PCB组织起来。
    注:进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题,而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题

    在这里插入图片描述

    • 链接方式
      在这里插入图片描述
    • 索引方式
      在这里插入图片描述

    进程特征

    在这里插入图片描述

    进程状态和转换

    进程是程序的一次执行。在这个执行过程中,有时进程正在被CPU£理,有时又需要等待CPU服务,可见,进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理,操作系统需要将进程合理地划分为几种状态。

    在这里插入图片描述
    除此之外的另外两种状态
    在这里插入图片描述
    状态转换
    在这里插入图片描述

    进程控制

    进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理,它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。

    原语实现进程控制。原语的特点是执行期间不允许中断。这种不可被中断的操作即原子操作。原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现

    进程控制原语的作用

    1. 更新PCB中的信息(如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境)
      a.所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
      b.剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
      c.某进程开始运行前必然要恢复期运行环境
    2. 将PCB插入合适的队列
    3. 分配/回收资源

    进程控制的五种原语,进程的创建、终止、唤醒、阻塞、切换;

    进程创建

    在这里插入图片描述

    进程终止

    在这里插入图片描述

    进程阻塞和唤醒

    进程的阻塞和唤醒原语是成对存在的,必须成对使用。
    进程阻塞和唤醒

    进程切换

    在这里插入图片描述

    进程通信

    进程通信就是指进程之间的信息交换

    进程是分配系统资源的单位(包括内存地址空间),因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。

    为了保证安全,一个进程不能直接访问另个进程的地址空间。但是进程之间的信息交换又是必须实现的。为了保证进程阍的安全通信,操作系统提供了一些方法。
    在这里插入图片描述

    共享存储

    两个进程对共享空间的访问必须是互斥的(互斥访问通过操作系统提供的工具实现),操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具(如P、V操作)

    在这里插入图片描述

    • 基于数据结构的共享:比如共享空间里只能放个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多,是一种低级通信方式
    • 基于存储区的共享:在内存中画出一块共享存储区,数据的形式、存放位置都由进程控制,而不是操作系统。相比之下,这种共享方式速度更快,是一种高级通信方式。

    管道通信

    管道”是指用于连接读写进程的一个共享文件,又名pipe文件。其实就是在内存中开辟个大小固定的缓冲区

    在这里插入图片描述

    • 管道只能釆用半双工通信,某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信,则需要设置两个管道。
    • 各进程要互斥地访问管道
    • 数据以字符流的形式写入管道,当管道写满时,写进程的 write(系统调用将被阻塞,等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后,管道变空,此时读进程的read()系统调用将被阻塞。
    • 如果没写满,就不允许读。如果没读空,就不允许写。
    • 数据一旦被读岀,就从管道中被抛弃,这就意味着读进程最多只能有一个,否则可能会有读错数据的情况。

    消息传递

    进程间的数据交换以格式化的消息( Message)为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换
    在这里插入图片描述

    线程

    线程概念

    有的进程可能需要“同时”做很多事,而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此,引入了“线程”,来增加并发度
    在这里插入图片描述
    引入线程后,线程成为了程序执行流的最小单位

    可以把线程理解为“轻量级进程线程”,线程是一个基本的CPU执行单元,也是程序执行流的最小单位

    引入线程之后,不仅是进程之间可以并发,进程内的各线程之间也可以并发,从而进一步提升了系统的并发度,使得一个进程内也可以并发处理各种任务

    引入线程后,进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元(如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的)。

    线程属性

    • 线程是处理机调度的单位
    • 多CPU计算机中,各个线程占用不同的cPU
    • 每个线程都有一个线程D、线程控制块(TCB)
    • 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
    • 线程几乎不拥有系统资源
    • 同一进程的不同线程间共享进程的资源
    • 由于共享内存地址空间,同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
    • 同一进程中的线程切换,不会引起进程切换
    • 不同进程中的线程切换,会引起进程切换
    • 切换同进程内的线程,系统开销很小
    • 切换进程,系统开销较大

    线程实现方式

    用户级线程

    在这里插入图片描述
    用户级线程由应用程序通过线程库实现

    所有的线程管理工作都由应用程序负责(包括线程切换)用户级线程中,线程切换可以在用户态下即可完成,无需操作系统干预。

    在用户看来,是有多个线程。但是在操作系统内核看来,并意识不到线程的存在。(用户级线程对用户不透明,对操作系统透明)

    内核级线程

    在这里插入图片描述
    内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。

    线程调度、切换等工作都由内核负责,因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成可以这样理解,“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”

    混合方式

    在这里插入图片描述

    在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中,可采用二者组合的方式:将n个用户级线程映射到m个内核级线程上(n>=m)

    操作系统只“看得见”内核级线程,因此只有内核级线程才是处理机分配的单位

    多线程模型

    在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中,由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题。

    多对一模型

    多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

    优点:用户级线程的切换在用户空间即可完成,不需要切换到核心态,线程管理的系统开销小,效率高

    缺点:当一个用户级线程被阻塞后,整个进程都会被阻塞,并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行
    在这里插入图片描述

    一对一模型

    一个用户及线程映射到一个内核级线程

    一对一模型:一个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。

    优点:当一个线程被阻塞后,别的线程还可以继续执行,并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

    缺点:一个用户进程会占用多个内核级线程线程切换由操作系统内核完成,需要切换到核心态,因此线程管理的成本高,开销大。
    在这里插入图片描述

    多对多模型

    多对多模型:n用户及线程映射到m个内核级线程(n>=m)。每个用户进程对应m个内核级线程。

    克服了多对一模型并发度不高的缺点,又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程,开销太大的缺点。
    在这里插入图片描述

    处理机调度

    在这里插入图片描述
    当有一堆任务要处理,但由于资源有限,这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序,这就是“调度”研究的问题。在多道程序系统中,进程的数量往往是多于处理机的个数的,这样不可能同时并行地处理各个进程。处理机调度,就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行,以实现进程的并发执行

    高级调度(作业调度)

    由于内存空间有限,有时无法将用户提交的作业全部放入内存,因此就需要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序。

    按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个(或多个)作业给他们分配内存等必要资源,并建立相应的进程(建立PCB),以使它(们)获得竞争处理机的权利

    高级调度是辅存(外存)与内存之间的调度。每个作业只调入一次,调出一次。作业调入时会建立相应的PCB,作业调出时才撤销PCB。

    高级调度主要是指调入的问题,因为只有调入的时机需要操作系统来确定,但调出的时机必然是作业运行结束才调出。

    中级调度(内存调度)

    引入了虛拟存储技术之后,可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时,再重新调入内存。

    目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。

    值得注意的是,PCB并不会一起调到外存,而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置,进程状态等信息,操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到的挂起队列中。

    中级调度(内存调度),就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。

    一个进程可能会被多次调出、调入内存,因此中级调度发生的频率要比高级调度更髙。

    进程的挂起态和七状态模型

    暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态(挂起态, suspend)

    挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
    在这里插入图片描述
    注意“挂起”和“阻塞”的区别,两种状态都是暂时不能获得CPU的服务,但挂起态是将进程映像调到外存去了,而阻塞态下进程映像还在内存中。

    有的操作系统会把就绪挂起、阻塞挂起分为两个挂起队列,甚至会根据阻塞原因不同再把阻塞挂起进程进一步细分为多个队列。

    低级调度(进程调度)

    低级调度(进程调度),其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程,将处理机分配给它

    进程调度是操作系统中最基本的一种调度,在一般的操作系统中都必须配置进程调度进程调度的频率很高,一般几十毫秒一次。

    调度时机

    在这里插入图片描述
    进程调度(低级调度),就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。

    主动放弃

    • 进程正常终止
    • 运行过程中发生异常而终止
    • 进程主动请求阻塞(如等待O)

    被动放弃

    • 分给进程的时间片用完
    • 有更紧急的事需要处理(如IO中断)
    • 有更高优先级的进程进入就绪队列

    不能进行进程调度的时机

    1. 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂,与硬件密切相关,很难做到在中断处理过程中进行进程切换
    2. 进程在操作系统内核程序临界区中。
    3. 在原子操作过程中(原语)。原子操作不可中断(如之前讲过的修改PCB中进程状态标志,并把PCB放到相应队列)

    进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换

    • 临界资源:一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源。
    • 临界区:访问临界资源的那段代码。

    内核程序临界区一般是用来访问某种内核数据结构的,比如进程的就绪队列(由各就绪进程的PCB组成)

    调度方式

    非剥夺调度方式,又称非抢占方式。即,只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达,当前进程依然会继续使用处理机,直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。

    剥夺调度方式,又称抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时,如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机,则立即暂停正在执行的进程,将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。

    “狭义的进程调度”与“进程切换”的区别:

    狭义的进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。(这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程,也可能是另一个进程,后一种情况就需要进程切换)。进程切换是指一个进程让出处理机,由另一个进程占用处理机的过程。

    广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤。

    进程切换的过程主要完成了:
    1.对原来运行进程各种数据的保存
    2.对新的进程各种数据的恢复
    (如:程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息,这些信息一般保存在进程控制块)

    注意:进程切换是有代价的,因此如果过于频繁的进行进程调度、切换,必然会使整个系统的效率降低,使系统大部分时间都花在了进程切换上,而真正用于执行进程的时间减少。

    调度算法

    调度算法评价

    在这里插入图片描述

    调度算法

    FCFS(先来先服务算法)

    在这里插入图片描述

    例子
    在这里插入图片描述

    SJF(短作业优先算法)

    在这里插入图片描述

    HRRN(高响应比优先算法)

    在这里插入图片描述

    时间片轮转

    如果时间片太大,使得每个进程都可以在一个时间片内就完成,则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法,并且会增大进程响应时间。因此时间片不能太大。

    另一方面,进程切换是有时间代价的(保存、恢复运行环境),因此如果时间片太小,会导致进程切换过于频繁,系统会花大量的时间来处理进程切换,从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。可见时间片也不能太小。
    在这里插入图片描述

    优先级调度

    就绪队列未必只有一个,可以按照不同优先级来组织。另外,也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置,根据优先级是否可以动态改变,可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。

    • 静态优先级:创建进程时确定,之后一直不变。
    • 动态优先级:创建进程时有一个初始值,之后会根据情况动态地调整优先级。

    通常:系统进程优先级高于用户进程,前台进程优先级高于后台进程
    操作系统更偏好IO型进程(或称IO繁忙型进程)
    注:与IO型进程相对的是计算型进程(或称CPU繁忙型进程)
    在这里插入图片描述

    多级反馈队列调度

    在这里插入图片描述

    例题
    在这里插入图片描述

    同步与互斥

    进程具有异步性的特征。异步性是指,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。

    同步亦称直接制约关系,它是指为完成某种任务而建立的两个或多个进程,这些进程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而产生的制约关系。进程间的直接制约关系就是源于它们之间的相互合作

    把一个时间段内只允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备(比如摄像头、打印机)都属于临界资源。此外还有许多变量、数据、内存缓冲区等都属于临界资源。

    对临界资源的访问,必须互斥地进行。互斥,亦称间接制约关系。进程互斥指当一个进程访问某临界资源时,另一个想要访问该临界资源的进程必须等待。当前访问临界资源的进程访问结束,释放该资源之后,另一个进程才能去访问临界资源

    对临界资源的互斥访问,可以在裸机上氛围如下四个部分:

    /*
    进入区,负责检查是否可进入临界区,若可进入,则应设置正在访问临界资源的标志(可理解为“上锁”),以阻止其他进程同时进入临界区
    临界区,访问临界资源的代码
    退出区,接触正在访问临界资源的标志(解锁)
    剩余区,其他处理
    
    临界区,进程中访问临界资源的代码段
    */
    do {
    	entry section;				//进入区
    	critocal section;			//临界区
    	exit section;				//退出区
    	remainder section;			//剩余区
    }	while(true)
    

    为了实现对临界资源的互斥访问,同时保证系统整体性能,需要遵循以下原则:

    1. 空闲让进:临界区空闲时,可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区
    2. 忙则等待:当已有进程进入临界区时,其他试图进入临界区的进程必须等待;
    3. 有限等待:对请求访问的进程,应保证能在有限时间内进入临界区(保证不会饥饿);
    4. 让权等待:当进程不能进入临界区时,应立即释放处理机,防止进程忙等待。

    互斥的软件实现方法

    单标执法

    两个进程在访问完临界区后会把使用临界区的权限转交给另一个进程。也就是说每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予

    在这里插入图片描述

    turn表示当前允许进入临界区的进程号,而只有当前允许进入临界区的进程在访问了临界区之后,才会修改turn的值。也就是说,对于临界区的访问,一定是按P0→P1→P0→P1→…这样轮流访问。

    这种必须“轮流访问”带来的问题是,如果此时允许进入临界区的进程是PO,而P0一直不访问临界区,那么虽然此时临界区空闲,但是并不允许P1访问。

    单标志法存在的主要问题是:违背“空闲让进”原则

    双标志先检查

    设置一个布尔型数组flag[],数组中各个元素用来标记各进程想进入临界区的意愿,比如“flag[0]= ture”意味着0号进程P0现在想要进入临界区。每个进程在进入临界区之前先检査当前有没有别的进程想进入临界区,如果没有,则把自身对应的标志flag[i]设为true,之后开始访问临界区。
    在这里插入图片描述
    若按照①⑤②⑥③⑦…的顺序执行,P0和P1将会同时访问临界区。
    因此,双标志先检査法的主要问题是:违反“忙则等待”原则。原因在于,进入区的“检查”和“上锁”两个处理不是一气呵成的。“检査”后,“上锁”前可能发生进程切换。

    双标志后检查

    双标志先检査法的改版。前一个算法的问题是先“检査”后“上锁”,但是这两个操作又无法一气呵成,因此导致了两个进程同时进入临界区的问题。因此,人们又想到**先“上锁”后“检查”的方法,**来避免上述问题。
    在这里插入图片描述
    若按照①⑤②⑥…的顺序执行,P0和P1将都无法进入临界区因此

    双标志后检査法虽然解决了“忙则等待”的问题,但是又违背了“空闲让进”和“有限等待”原则,会因各进程都长期无法访问临界资源而产生“饥饿”现象

    Peterson算法

    双标志后检査法中,两个进程都争着想进入临界区,但是谁也不让谁,最后谁都无法进入临界区。 Gary L. Peterson想到了一种方法,如果双方都争着想进入临界区,那可以让进程尝试主动让对方先使用临界区
    在这里插入图片描述Peterson算法用软件方法解决了进程互斥问题,遵循了空闲让进、忙则等待、有限等待三个原则,但是依然未遵循让权等待的原则

    互斥的硬件实现方法

    中断屏蔽

    思路:利用“开/关中断指令”实现(与原语的实现思想相同,即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断,也就不能发生进程切换,因此也不可能发生两个同时访问临界区的情况)
    优点:简单、高效
    缺点:不适用于多处理机;只适用于操作系统内核进程,不适用于用户进程(因为开/关中断指令只能运行在内核态,这组指令如果能让用户随意使用会很危险)

    TestAndSet(TS指令/TSL指令)

    思路:简称TS指令,也有地方称为 TestAndSetLock指令,或TSL指令。TSL指令是用硬件实现的,执行的过程不允许被中断。以下是用C语言描述的逻辑
    在这里插入图片描述
    相比软件实现方法,TSL指令把“上锁”和“检査”操作用硬件的方式变成了原子操作

    优点:实现简单,无需像软件实现方法那样严格检査是否会有逻辑漏泂;适用于多处理机环境
    缺点:不满足“让权等待”原则,暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令,从而导致“忙等”。

    Swap指令(XCHG指令)

    有的地方也叫 Exchange指令,或简称XCHG指令。
    Swap指令是用硬件实现的,执行的过程不允许被中断。以下是用C语言描述的逻辑
    在这里插入图片描述
    优点:实现简单,无需像软件实现方法那样严格检査是否会有逻辑漏洞;适用于多处理杋环境
    缺点:不满足“让权等待”原则,暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令,从而导致“忙等”。

    信号量

    1965年,荷兰学者 Dijkstra(牛人啊)提出了一种卓有成效的实现进程互斥、同步的方法一一信号量机制

    用户进程可以通过使用操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作,从而很方便的实现了进程互斥、进程同步。

    信号量其实就是一个变量(可以是一个整数,也可以是更复杂的记录型变量),可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量,比如:系统中只有一台打印机,就可以设置一个初值为1的信号量。

    原语是一种特殊的程序段,其执行不可被中断。原语是由关中断/开中断指令实现的。软件解决方案的主要问题是由“进入区的各种操作无法一气呵成”,因此如果能把进入区、退出区的操作都用“原语”实现,使这些操作能“一气呵成”就能避免问题。

    原语:wait(S)原语和 signal(S)原语,可以把原语理解为我们自己写的函数,函数名分别为wait和 signal,括号里的信号量S其实就是函数调用时传入的一个参数。

    wait、 signal原语常简称P、Ⅴ操作(来自荷兰语 proberen和 verhogen)。因此,常把wait(S)、 signal(S)两个操作分别写为P(S)、V(S)

    整形信号量

    用一个整数型的变量作为信号量,用来表示系统中某种资源的数量
    在这里插入图片描述

    记录型信号量

    整型信号量的缺陷是存在“忙等”问题,因此人们又提岀了“记录型信号量”,即用记录型数据结构表示的信号量。

    在这里插入图片描述

    信号量实现进程互斥

    1. 分析并发进程的关键活动,划定临界区
    2. 设置互斥信号量 mutex,初值为1
    3. 在临界区之前执行P( mutex)
    4. 在临界区之后执行( mutex)

    注意:对不同的临界资源需要设置不同的互斥信号量。

    P、V操作必须成对出现。缺少P( mutex)就不能保证临界资源的互斥访问。缺少 V(mutex)会导致资源永不被释放,等待进程永不被唤醒。

    信号量实现进程同步

    1. 分析什么地方需要实现“同步关系”,即必须保证“一前一后”执行的两个操作(或两句代码)
    2. 设置同步信号量S,初始为0
    3. 在“前操作”之后执行V(S)
    4. 在“后操作”之前执行P(S)

    信号量实现前驱关系

    在这里插入图片描述

    经典问题

    注重分析问题的思路,互斥和前驱关系

    生产者消费者问题

    系统中有一组生产者进程和一组消费者进程,生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区,消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。(注:这里的“产品”理解为某种数据)

    在这里插入图片描述

    • 生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。
    • 只有缓冲区没满时,生产者才能把产品放入缓冲区,否则必须等待。
    • 只有缓冲区不空时,消费者才能从中取出产品,否则必须等待。
    • 缓冲区是临界资源,各进程必须互斥地访问。
      在这里插入图片描述

    多生产者多消费者问题

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    吸烟者问题

    假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者不停地卷烟并抽掉它,但是要卷起并抽掉一支烟,抽烟者需要有三种材料:烟草、纸和胶水。三个抽烟者中,第一个拥有烟草、第二个拥有纸、第三个拥有胶水。供应者进程无限地提供三种材料,供应者每次将两种材料放桌子上,拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它,并给供应者进程一个信号告诉完成了,供应者就会放另外两种材料再桌上,这个过程一直重复(让三个抽烟者轮流地抽烟)

    在这里插入图片描述
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    读者写者问题

    有读者和写者两组并发进程,共享一个文件,当两个或两个以上的读进程同时访问共享数据时不会产生副作用,但若某个写进程和其他进程(读进程或写进程)同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。因此要求:

    • 允许多个读者可以同时对文件执行读操作
    • 只允许一个写者往文件中写信息;
    • 任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作;
    • 写者执行写操作前,应让已有的读者和写者全部退出。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    哲学家进餐问题

    张圆桌上坐着5名哲学家,每两个哲学家之间的桌上摆一根筷子,桌子的中间是一碗米饭。哲学家们倾注毕生的精力用于思考和进餐,哲学家在思考时,并不影响他人。只有当哲学家饥饿时,才试图拿起左、右两根筷子(一根一根地拿起)。如果筷子已在他人手上,则需等待。饥饿的哲学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐,当进餐完毕后,放下筷子继续思考。
    在这里插入图片描述
    防止死锁:

    1. 可以对哲学家进程施加一些限制条件,比如最多允许四个哲学家同时进餐。这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的
    2. 要求奇数号哲学家先拿左边的筷子,然后再拿右边的筷子,而偶数号哲学家刚好相反。用这种方法可以保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭,那么只会有其中一个可以拿起第一只筷子,另一个会直接阻塞。这就避免了占有一支后再等待另一只的情况
    3. 仅当一个哲学家左右两支筷子都可用时才允许他抓起筷子。

    在这里插入图片描述

    哲学家进餐问题的关键在于解决进程死锁。

    这些进程之间只存在互斥关系,但是与之前接触到的互斥关系不同的是,每个进程都需要同时持有两个临界资源,因此就有“死锁”问题的隐患。

    管程

    信号量机制存在的问题:编写程序困难、易出错。1973年, Brinch Hansen首次在程序设计语言( Pascal)中引入了“管程”成分一一一种高级同步机制

    管程是一种特殊的软件模块,组成:

    1. 局部于管程的共享数据结构说明;
    2. 对该数据结构进行操作的一组过程;
    3. 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句;
    4. 管程有一个名字。

    管程的基本特征:

    1. 局部于管程的数据只能被局部于管程的过程所访问;
    2. 一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程访问共享数据;
    3. 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程。

    例如,通过管程解决生产者消费者问题
    在这里插入图片描述
    实际上由编译器负责实现管程互斥进入管程中的过程

    引入管程的目的无非就是要更方便地实现进程互斥和同步。

    1. 需要在管程中定义共享数据(如生产者消费者问题的缓冲区)
    2. 需要在管程中定义用于访问这些共享数据的“入口”一一其实就是一些函数(如生产者消费者
      问题中,可以定义一个函数用于将产品放入缓冲区,再定义一个函数用于从缓冲区取出产品)
    3. 只有通过这些特定的“入口”才能访问共享数据
    4. 管程中有很多“入口”,但是每次只能开放其中一个“入口”,并且只能让一个进程或线程进
      入(如生产者消费者问题中,各进程需要互斥地访问共享缓冲区。管程的这种特性即可保证
      个时间段内最多只会有一个进程在访问缓冲区。注意:这种互压特性是由编译器负责实现的,程序员不用关心)
    5. 可在管程中设置条件变量及等待/唤醒操作以解决同步问题。可以让一个进程或线程在条件变量上等待(此时,该进程应先释放管程的使用权,也就是让出“入口”);可以通过唤醒操作将等待在条件变量上的进程或线程唤醒。

    死锁

    各进程互相等待对方手里的资源,导致各进程都阻塞,无法向前推进的现象

    饥饿:由于长期得不到想要的资源,某进程无法向前推进的现象。比如:在短进程优先(SPF)算法中,若有源源不断的短进程到来,则长进程将一直得不到处理机,从而发生长进程“饥饿”。

    死循环:某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。有时是因为程序逻辑bug导致的,有时是程序员故意设计的。
    ||共同点|区别|

    共同点区别
    死锁都是进程无法顺利向前推进的现象(故意设计的死循环除外)死锁一定是“循环等待对方手里的资源”导致的,因此如果有死锁现象,那至少有两个或两个以上的进程同时发生死锁。另外,发生死锁的进程一定处于阻塞态。
    饥饿可能只有一个进程发生饥饿。发生饥饿的进程既可能是阻塞态(如长期得不到需要的/O设备),也可能是就绪态(长期得不到处理机)
    死循环可能只有一个进程发生死循环。死循环的进程可以上处理机运行(可以是运行态),只不过无法像期待的那样顺利推进。死锁和饥饿问题是由于操作系统分配资源的策略不合理导致的,而死循环是由代码逻辑的错误导致的。死锁和饥饿是管理者(操作系统)的问题,死循环是被管理者的问题。

    死锁条件

    产生死锁必须同时满足一下四个条件,只要其中任一条件不成立,死锁就不会发生。

    • 互斥条件:只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁(如哲学家的筷子、打印机设备)。像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的(因为进程不用阻塞等待这种资源)。
    • 不剥夺条件:进程所获得的资源在未使用完之前,不能由其他进程强行夺走,只能主动释放。
    • 请求和保持条件:进程已经保持了至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源又被其他进程占有,此时请求进程被阻塞,但又对自己已有的资源保持不放。
    • 循环等待条件:存在一种进程资源的循环等待链,链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。
      注意:循环等待是死锁的必要条件

    死锁处理策略

    在这里插入图片描述

    1. 预防死锁。破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个
    2. 避免死锁。用某种方法防止系统进入不安全状态,从而避免死锁(银行家算法
    3. 死锁的检测和解除。允许死锁的发生,不过操作系统会负责检测出死锁的发生,然后采取某种措施解除死锁。

    预防死锁

    互斥条件破坏

    • 把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用,则系统不会进入死锁状态。

    不可剥夺条件破坏

    • 当某个进程请求新的资源得不到满足时,它必须立即释放保持的所有资源,待以后需要时再重新申请。也就是说,即使某些资源尚未使用完,也需要主动释放,从而破坏了不可剥夺条件。
    • 当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候,可以由操作系统协助,将想要的资源强行剥夺。这种方式一般需要考虑各进程的优先级(比如:剥夺调度方式,就是将处理机资源强行剥夺给优先级更高的进程使用)
    • 缺点:实现起来比较复杂。释放已获得的资源奇能造成前一阶段工作的失效。因此这种方法一般只适用于易保存和恢复状态的资源,如CPU。

    请求和保持条件破坏

    • 进程已经保持了至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源又被其他进程占有,此时请求进程被阻塞,但又对自己已有的资源保持不放。
    • 可以采用静态分配方法,即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源,在它的资源未满足前,不让它投入运行。一旦投入运行后,这些资源就一直归它所有,该进程就不会再请求
    • 缺点:有些资源可能只需要用很短的时间,因此如果进程的整个运行期间都一直保持着所有资源,就会造成严重的资源浪费,资源利用率极低。另外,该策略也有可能导致某些进程饥饿。

    循环等待条件:

    • 存在一种进程资源的循环等待链,链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。
    • 可采用顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号,规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源,同类资源(即编号相同的资源)一次申请完。
      原理分析:一个进程只有已占有小编号的资源时,才有资格申请更大编号的资源。按此规则,已持有大编号资源的进程不可能逆向地回来申请小编号的资源,从而就不会产生循环等待的现象
    • 缺点:不方便增加新的设备,因为可能需要重新分配所有的编号;进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致,会导致资源浪费;必须按次序申请资源,编程麻烦

    避免死锁(银行家算法)

    所谓安全序列,就是指如果系统按照这种序列分配资源,则每个进程都能顺利完成。只要能找出一个安全序列,系统就是安全状态。当然,安全序列可能有多个。

    如果分配了资源之后,系统中找不出仼何一个安全序列,系统就进入了不安全状态。这就意味着之后可能所有进程都无法顺利的执行下去。当然,如果有进程提前归还了一些资源,那系统也有可能重新回到安全状态,不过我们在分配资源之前总是要考虑到最坏的情况。

    如果系统处于安全状态,就一定不会发生死锁。如果系统进入不安全状态,就可能发生死锁(处于不安全状态未必就是发生了死锁,但发生死锁时一定是在不安全状态)

    因此可以在资源分配之前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态,以此决定是否答应资源分配请求。这也是**“银行家算法”**的核心思想。

    银行家算法是荷兰学者 Dijkstra(那个提出的信号量牛人)为银行系统设计的,以确保银行在发放现金贷款时,不会发生不能满足所有客户需要的情况。后来该算法被用在操作系统中,用于避免死锁。

    核心思想:在进程提出资源申请时,先预判此次分配是否会导致系统进入不安全状态。如果会进入不安全状态,就暂时不答应这次请求,让该进程先阻塞等待。

    例子,寻找安全序列,1,3,0,2,4
    在这里插入图片描述
    银行家算法步骤:

    1. 检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数
    2. 检査此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求
    3. 试探着分配,更改各数据结构
    4. 用安全性算法检查此次分配是否会导致系统进入不安全状态

    安全性算法步骤:

    1. 检査当前的剩余可用资源是否能满足某个进程的最大需求,如果可以,就把该进程加入安全序列,并把该进程持有的资源全部回收。
    2. 不断重复上述过程,看最终是否能让所有进程都加入安全序列。
      在这里插入图片描述

    检测和解除死锁

    在这里插入图片描述

    如果系统中既不采取预防死锁的措施,也不采取避免死锁的措施,系统就很可能发生死锁。在这种情况下,系统应当提供两个算法:

    • 死锁检测算法:用于检测系统状态,以确定系统中是否发生了死锁
    • 死锁解除算法:当认定系统中已经发生了死锁,利用该算法可将系统从死锁状态中解脱岀来。

    死锁检测

    为了能对系统是否已发生了死锁进行检测,必须:

    1. 用某种数据结构来解存资源的请求和分配信:
    2. 提供一种算法,利用上述信息来检测系统是否已进入死锁状态。

    在这里插入图片描述
    检测死锁思路:

    1. 如果系统中剩余的可用资源数足够满足进程的需求,那么这个进程暂时是不会阻塞的,可以顺利地执行下去。
    2. 如果这个进程执行结束了把资源归还系统,就可能使某些正在等待资源的进程被激活,并顺利地执行下去。
    3. 相应的,这些被激活的进程执行完了之后又会归还一些资源,这样可能又会激活另外一些阻塞的进程。
    4. 如果按上述过程分析,最终能消除所有边,就称这个图是可完全简化的。此时一定没有发生死锁(相当于能找到一个安全序列)。如果最终不能消除所有边,那么此时就是发生了死锁
    5. 最终还连着边的那些进程就是处于死锁状态的进程。

    检测死锁的算法:

    1. 在资源分配图中,找出既不阻塞又不是孤点的进程Pi(即找出一条有向边与它相连,且该有向边对应资源的申请数量小于等于系统中已有空闲资源数量。如下图中,R1没有空闲资源,R2有个空闲资源。若所有的连接该进程的边均满足上述条件,则这个进程能继续运行直至完成,然后释放它所占有的所有资源)。消去它所有的请求边和分配变,使之称为孤立的结点。在下图中,P1是满足这一条件的进程结点,于是将P1的所有边消去。

    2. 进程所释放的资源,可以唤醒某些因等待这些资源而阻塞的进程,原来的阻塞进程可能变为非阻塞进程。在下图中,P2就满足这样的条件。根据1)中的方法进行一系列简化后,若能消去途中所有的边,则称该图是可完全简化的。

    死锁定理:如果某时刻系统的资源分配图是不可完全简化的,那么此时系统死锁
    在这里插入图片描述

    死锁解除

    一旦检测出死锁的发生,就应该立即解除死锁。
    补充:并不是系统中所有的进程都是死锁状态,用死锁检测算法化简资源分配图后,还连着边的那些进程就是死锁进程

    解除死锁的主要方法有:

    1. 资源剥夺法。挂起(暂时放到外存上)某些死锁进程,并抢占它的资源,将这些资源分配给其他的死锁进程。但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿
    2. 撤销进程法(或称终止进程法)。强制撤销部分、甚至全部死锁进程,并剥夺这些进程的资源。这种方式的优点是实现简单,但所付出的代价可能会很大。因为有些进程可能已经运行了很长时间,已经接近结束了,一旦被终止可谓功亏一篑,以后还得从头再来。
    3. 进程回退法。让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步。这就要求系统要记录进程的历史信息,设置还原点。

    考虑需要干掉那些进程:

    • 进程优先级
    • 已执行多长时间
    • 还要多久能完成
    • 进程已经使用了多少资源
    • 进程是交互式的还是批处理式的

    参考
    计算机操作系统——王道论坛

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  • pv操作的经典习题

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  • 1、信号量:信号量机构是一种功能较强的机制,可以用来解决互斥与同步的问题,它只能被两个标准的原语wait(S)和signal(S)来访问,也可以记为“P操作”“V操作”。 2、整型信号量 整型信号量被定义为一个用于表示...
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空空如也

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