操作系统--进程的互斥与同步

操作系统--进程的互斥与同步

进程互斥

进程互斥：在多个程序中，有两个进程不可以同时进行（例如读，写操作）。

竞争资源（临界资源）

• 当并发进程竞争使用同一资源时，他们之间就会发生冲突。如果操作系统将资源分配给其中的某一个进程使用，另一个进程就必须等待，直到申请的资源可用时，由操作系统分配给他们。

• 如果竞争资源的进程太多，这些进程还必须等待在一个队列中，如就绪队列，阻塞队列等。

• 一种极端的情况是，被阻塞进程永远得不到申请的资源，而死锁。

采用互斥方式，使用临界资源

资源的互斥，进程使用上述这类资源的时候，只能有一个进程对资源进行处理。下面是临界区的使用图和注解。

                                           

进程同步

多个进程常常需要共同修改某些共享变量，表格，文件数据库等，协作完成一些功能。这个时候，就需要用到进程之间的同步。

我们把异步环境下的一组并发进程因直接制约而互相发送消息、进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步。

进程同步和互斥的解决方法

互斥与同步的解决方法--软件方法

控制p0，p1互斥的进入临界区。

while循环为进入区应该做的事情。当不符合条件的时候，进行do{nothing}操作。

使用软件解决方法，有一个公认的比较好的算法，为Dekker算法。下面是Dekker算法介绍。

Dekker算法介绍：

       

上面是Dekker算法的伪代码，还有p0进程的执行流程图。

互斥与同步的解决方法--硬件方法

硬件方法包括屏蔽中断和专用机器指令。

屏蔽中断：

由于进程切换需要依赖中断来实现，如果屏蔽中断，则不会出现进程切换。

因此，为了实现对临界资源的互斥使用，可以在进程进入临界区之前，屏蔽中断。当进程退出临界区时，打开系统中断。这样就实现了同步和互斥的问题的解决。

专用机器指令：

(指令系统是计算机硬件的语言系统，也叫机器语言)

利用一些专用机器指令也能实现互斥，机器指令在一个指令周期内执行，不会受到其他指令的干扰，也不会被中断。

下面就是一个使用机器指令的例子：

             

（左边为机器指令方法，右边为实现代码）

互斥与同步的解决方法--信号量

信号量方法，就是用一个信号量来控制进程之间的使用。（就像是交通中的红路灯（信号量）与汽车之间的关系和作用）

     ​信号量的类型（count）：

    ​     互斥信号量：用于申请或者释放资源的使用权，常初始化为1.

    ​    ​ 资源信号量：用于申请或者归还资源，可以初始化为大于1的正整数，表示系统中可用资源的个数。（比如说，我有多个显示屏，那么就可以使用count表示显示屏的个数。）

     信号量的操作：wait和signal（操作系统中，用系统调用的形式来提供wait和signal原语）

s.conut为为信号量

wait为申请资源   （优先于signal）

signal为释放资源 （滞后于wait）

下面是wait，signal操作的伪代码：

        

信号量的使用例子：

根据上面的信号量，我们可以总结出信号量的物理意义：

互斥与同步的解决方法--管程 

管程是一种在程序设计级控制进程互斥与同步的机制，具有信号量的功能，且更容易使用和控制。

管城只要用于面向对象程序设计。

互斥与同步的解决方法--通讯机制

消息一般格式：

消息传递同步操作原语：

两个进程之间的通讯，需要一些操作。我们使用操作系统提供的原语来完成这些操作。

send原语：发送消息

receive原语：接受消息，如果没有消息可以接受，那么则等待。

常用的进程通讯：

1. 基于共享存储区的方法

2. 邮箱的方式

分别介绍：

基于共享存储区的方式：

通讯的双方是基于共享存储区来通讯的。这个共享数据区属于每个相互通讯的进程的组成部分。然后通讯之间向里面存储数据，提取数据。

邮箱方式： 

只要保证邮箱中，只有一个消息，那么就可以实现消息之间的互斥这样，就保证了进程之间的互斥。