操作系统Operating Systems进程同步与信号量Processes Synchronization and Semaphore
进程合作：多进程共同完成一个任务
从纸上到实际：生产者− − 消费者实例
共享数据
#define BUFFER_SIZE 10
typedef struct { . . . } item;
item buffer[BUFFER_SIZE];
int in = out = counter = 0; 注意：这些都是用户态程序!
生产者进程
while (true) {
while(counter== BUFFER_SIZE);
buffer[in] = item;
in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
counter++;
}
消费者进程
while (true) {
while(counter== 0);
item = buffer[out];
out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
counter--;
}
找到哪些地方要停，什么时候再走?
需要让"进程走走停停"来保证多进程合作的合理有序
这就是进程同步
生产者进程
while (true) {
while(counter== BUFFER_SIZE); 缓存区满，生产者要停
buffer[in] = item;
in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
counter++;
} 发信号让消费者再走…
消费者进程
while (true) {
while(counter== 0) ; 缓存区空，消费者要停
item = buffer[out];
out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
counter--;
} 发信号让生产者再走…
只发信号还不能解决全部问题
(1) 缓冲区满以后生产者P 1 生产一个item 放入，会sleep信号
(2) 又一个生产者P 2 生产一个item 放入，会sleep
(3) 消费者C 执行1 次循环，counter==BUFFER_SIZE-1 ，发信号给P 1 ，P 1 wakeup
(4) 消费者C 再执行1 次循环，counter==BUFFER_SIZE-2 ，P 2 不能被唤醒
从信号到信号量
不只是等待信号、发信号? 对应睡眠和唤醒!
还应该能记录一些信息
能记录有"2 个进程等待"就可以了…
(1) 缓冲区满， P 1 执行， P 1 sleep ，记录下 1 个进程等待
(2) P 2 执行， P 2 sleep ，记录下 2 个进程等待
(3) C 执行 1 次循环，发现 2 个进程等待， wakeup 1 个
(4) C 再执行 1 次循环，发现 ? 个进 程等待， 再 ?
(5) C 再执行 1 次循环， 怎么办 ? 此时再来 P 3 怎么办 ?
什么是信号量? 记录一些信息( 量) ，并根据这个信息决定睡眠还是唤醒( 信号) 。
信号量开始工作…
初始时 sem = ?
(1) 缓冲区满， P 1 执行， P 1 sleep sem = -1 什么含义?
(2) P 2 执行，P 2 sleep sem = -2
(3) C 执行 1 次循环，wakeup P 1 sem = -1
(4) C 再执行 1 次循环，wakeup P 2 sem = 0
(5) C 再执行 1 次循环， sem = 1 什么含义?
(6) P 3 执行，P 2 继续执行 sem = 0
总结一下：这个整数什么时候-1? 什么时候+1?什么时候睡眠? 什么时候唤醒?
什么是信号量? 信号量的定义…
信号量: 1965 年，由荷兰学者Dijkstra 提出的一种特殊整型变量，量用来记录，信号用来sleep 和wakeup
struct semaphore
{
int value; // 记录资源个数
PCB *queue;// 记录等待在该信号量上的进程
}
P(semaphore s); // 消费资源
V(semaphore s); // 产生资源
P 的名称来源于荷兰语的proberen ，即test
V 的名称也来源于荷兰语verhogen(increment)
P(semaphore s)
{
s.value--;
if(s.value < 0) {
sleep(s.queue); }
}
用信号量解生产者− −消费者问题
int fd = open("buffer.txt");
write(fd, 0, sizeof(int)); // 写in
write(fd, 0, sizeof(int)); // 写out 用文件定义共享缓冲区
semaphore full = 0;
semaphore empty = BUFFER_SIZE; // 信号量的定义和初始化
semaphore mutex = 1;
Producer(item) {
P(empty);
P(mutex);
读入in; 将item 写入到in 的位置上;
V(mutex);
V(full); }
Consumer() {
P(full);
P(mutex);
读入out; 从文件中的out位置读出到item; 打印item;
V(mutex);
V(empty); }
信号量临界区保护Critical Section
共同修改信号量引出的问题
初始情况
empty = -1; //这是什么含义?
Producer(item) {
P(empty);
...}
生产者P 1
register = empty;
register = register - 1;
empty = register;
生产者P 2
register = empty;
register = register - 1;
Empty = register;
一个可能的执行( 调度)
P 1 .register = empty;
P 1 .register = P 1 .register - 1;
P 2 .register = empty;
P 2 .register = P 2 .register - 1;
empty = P 1 .register;
empty = P 2 .register; 最终的empty 等于多少? 对吗?
竞争条件(Race Condition)
竞争条件: 和调度有关的共享数据语义错误
第i次执行
P 1 .register = empty;
P 1 .register = P 1 .register - 1;
P 2 .register = empty;
P 2 .register = P 2 .register - 1;
empty = P 1 .register;
empty = P 2 .register;
第j 次执行
P 1 .register = empty;
P 1 .register = P 1 .register - 1;
empty = P 1 .register;
P 2 .register = empty;
P 2 .register = P 2 .register - 1;
empty = P 2 .register;
错误由多个进程并发操作共享数据引起
错误和调度顺序有关，难于发现和调试
解决竞争条件的直观想法
在写共享变量empty时阻止其他进程也访问empty
仍是那个执行序列
P 1 .register = empty;
P 1 .register = P 1 .register - 1;
P 2 .register = empty;
P 2 .register = P 2 .register - 1;
empty = P 1 .register;
empty = P 2 .register;
生产者P 1
检查并给empty上锁
P 1 .register = empty;
P 1 .register = P 1 .register - 1;
生产者P 2
检查empty 的锁 ? 一段代码一次只允许一个进程进入
生产者P 1
empty = P 1 .register;
给empty 开锁
生产者P 2
检查并给empty 上锁
P 2 .register = empty;
P 2 .register = P 2 .register - 1;
empty = C.register;
给empty
临界区(Critical Section)
临界区: 一次只允许一个进程进入的该进程的那一段代码
一个非常重要的工作: 找出进程中的临界区代码 读写信号量的代码一定是临界区…
临界区代码的保护原则
基本原则：互斥进入: 如果一个进程在临界区中执行，则其他进程不允许进入
这些进程间的约束关系称为 互斥(mutual exclusion)
这保证了是临界区
好的临界区保护原则
有空让进: 若干进程要求进入空闲临界区时，应尽快使一进程进入临界区
有限等待: 从进程发出进入请求到允许进入，不能无限等待
进入临界区Peterson
结合了标记和轮转两种思想
Peterson算法的正确性
满足互斥进入:
如果两个进程都进入，则flag[0]=flag[1]=true ，turn==0==1 ，矛盾!
满足有空让进:
如果进程P 1 不在临界区，则flag[1]=false ，或者turn=0 ，都P 0 能进入!
满足有限等待:
P 0 要求进入，flag[0]=true ；后面的P 1 不可能一直进入，因为P 1 执行一次就会让turn=0
多个进程怎么办? − − 面包店算法
仍然是标记和轮转的结合
如何轮转: 每个进程都获得一个序号，序号最小的进入
如何标记: 进程离开时序号为0 ，不为0 的序号即标记
面包店: 每个进入商店的客户都获得一个号码，号码最小的先得到服务；号码相同时，名字靠前的先服务。
面包店算法的正确性
互斥进入: P i 在临界区内，P k 试图进入，一定有(num[i], i)<(num[k],k) ，P k 循环等待。
有空让进: 如果没有进程在临界区中，最小序号的进程一定能够进入。
有限等待: 离开临界区的进程再次进入一定排在最后(FIFO) ，所以任一个想进入进程至多等n
临界区保护的另一类解法…
再想一下临界区： 只允许一个进程进入， 进入另一个进程意味着什么?
被调度: 另一个进程只有被调度才能执行，才可能进入临界区，如何阻止调度?
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什么时候不好使?
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多CPU( 多核)…
问题：为什么不好使?
临界区保护的硬件原子指令法
进程P i
while(TestAndSet(&lock)) ;
临界区
lock = false;
剩余区
想一想: 多CPU 情况好不好使?
