1、第 四 讲,操作系统与系统编程,谌 卫 军,清华大学软件学院,2004年春季,【例子2】共享缓冲区的合作进程的同步,设有一个缓冲区buffer，大小为一个字节。Compute进程不断产生字符，送buffer，Print进程从buffer中取出字符打印。如不加控制，会出现多种打印结果，这取决于这两个进程运行的相对速度。在这众多的打印结果中，只有Compute和Print进程的运行刚好匹配的一种是正确的，其它均为错误。,基于信号量的进程同步,解题步骤：分析问题，弄清楚同步关系；设置信号量，说明其含义和初值；写出程序描述。,问题分析：要保证打印结果的正确，Compute和Print进程必须遵循以下同
2、步规则：当Compute把数据送入buffer后，Print才能从buffer中取，否则它必须等待（先存后取）；当Print从buffer取走数据后，Compute才能将新数据送buffer，否则也须等待（先取后存）,【例子3】 三个并发进程的读写,get进程负责从输入序列f中读取字符，送到输入缓冲区S中；copy进程把输入缓冲区S中的数据复制到输出缓冲区T；put进程从输出缓冲区T中取出数据打印。,输入缓冲区,输出缓冲区,问题分析：为保证三个并发进程的正确运行，必须遵循以下的五条同步规则：在每一个数据上的操作顺序为get - copy - put；只有当s中的旧数据被copy取走后，get才
3、能将新数据送进来，否则就必须等待；只有当get把新数据送到s当中后，copy才能把该数据取走，否则也必须等待；只有当t中的旧数据被put取走后，copy才能把新数据从s拷贝到t当中，否则等待；只有当copy把新数据送入到t中后，put才能把该数据取出打印，否则等待。,流程图1：,流程图2：,semaphore S_Get; / 当前数据的Get操作是否 / 已完成，初值为0semaphore S_Copy_Old; / 上一个数据的Copy操作 / 是否已完成，初值为1semaphore S_Copy_New; / 本次数据的Copy操作是 / 否已完成，初值为0semaphore S_Put
4、; / 上一个数据的Put操作是 / 否已完成，初值为1,信号量的定义,信号量和P、V原语的小结,对信号量和P、V原语的使用可以归纳为三种情形：第一，把信号量视为一个加锁标志位，其目的是为了实现对某个唯一的共享数据的互斥访问，如数据库中的某个记录，各个进程间的某个共享文件。该共享数据的取值与信号量本身的取值并没有什么直接的关系，信号量的作用仅仅是作为一个加锁标志位。其特征是信号量的初始值为1，然后在一个进程内部对它进行配对的P、V操作。,P(mutex); / 申请进入临界区访问该共享数据;V(mutex);/ 退出临界区非临界区,mutex初值为1。,第二，把信号量视为是某种类型的共享资源的
5、剩余个数，其目的是为了实现对这种类型的共享资源的访问，如各种I/O设备。信号量的取值具有实际的意义，就等于空闲资源的个数。多个进程可以同时使用这种类型的资源，直到所有空闲资源均已用完。其特征是信号量的初始值为N(N1)，然后在一个进程内部对它进行配对的P、V操作。,P(resource);/ 申请使用一个资源使用该资源；V(resource);/ 释放该资源非临界区,resource的初值为N。,第三，把信号量作为进程间同步的工具，利用它来设定两个进程在运行时的先后顺序。比如说，它可以是某个共享资源的当前个数，但是由一个进程负责生成该资源，而另一个进程负责消费该资源，由此引发了两个进程之间的先
6、后顺序。其特征是信号量的初始值为N（N 0），然后在一个进程里面用对它使用V原语，增加资源个数，而在另外一个进程里面对它使用P原语，减少资源个数，从而实现两个进程之间的同步关系。,配对,先后,2.4 经典的IPC问题,生产者消费者问题 哲学家就餐问题 读者写者问题 睡着的理发师问题,用信号量来解决，主要问题：如何选择信号量，如何安排P、V原语的顺序。,2.4.1 生产者消费者问题,两个进程（生产者和消费者）共享一个公有的、固定大小的缓冲区，生产者不断地制造产品，并把它放入缓冲区，而消费者不断地把产品取出来，并且使用它。要求这两个进程相互协调，正确地完成各自的工作。,问题描述,生产消费者问题,消
7、费者,问题分析,对于生产者进程：制造一个产品，当要送入缓冲区时，要检查缓冲区是否已满，若未满，才可将产品送入缓冲区，并在必要时通知消费者；否则等待；对于消费者进程：当它去取产品时，先要检查缓冲区中是否有产品可取，若有，则取走一个，并在必要时通知生产者；否则等待。这种相互等待，并互通信息就是典型的进程同步。同时，缓冲区是个临界资源，因此，各个进程在使用缓冲区的时候，还有一个互斥的问题。,semaphore S_Buffer_Num;/ 空闲的缓冲区个数，/ 初值为Nsemaphore S_Product_Num;/ 缓冲区当中的产品个/ 数，初值为0semaphore S_Mutex; / 用于
8、互斥访问的信号/ 量，初值为1,信号量的定义,void producer(void) int item; while(TRUE) item = produce_item( );/ 制造一个产品 P(S_Buffer_Num);/ 是否有空闲缓冲区 P(S_Mutex);/ 进入临界区 insert_item(item);/ 产品放入缓冲区 V(S_Mutex);/ 离开临界区 V(S_Product_Num);/ 新增了一个产品 ,生产者进程,void consumer(void) int item; while(TRUE) P(S_Product_Num);/ 缓冲区中有无产品 P(S_Mu
9、tex);/ 进入临界区 item = remove_item( )/ 从缓冲区取产品 V(S_Mutex);/ 离开临界区 V(S_Buffer_Num);/ 新增一个空闲缓冲区 consume_item(item);/ 使用该产品 ,消费者进程,2.4.2 哲学家就餐问题,1965年，由Dijkstra提出并解决，后来逐渐成为该领域的一个经典问题，或者说，是一块试金石，用来试验新的进程同步方法的优劣。,五个哲学家围坐在一张圆桌旁，每个哲学家面前都摆着一大盘意大利面条，面条非常滑，所以每个哲学家都需要两把叉子才能进餐，在相邻两个盘子之间，只有一把叉子。 桌面的布局见右图。,问题描述,本图摘自
10、 “Modern Operating Systems”,0,1,2,3,4,0,1,2,3,4,每个哲学家的动作只有两种：进餐和思考。当一个哲学家感到饥饿时，他试图去获得他左边和右边的两把叉子（一次取一把，顺序无关），然后才能开始进餐。吃完以后，他需要把两把叉子放回原处，然后继续思考。问题是：如何保证哲学家们的动作有序进行？如：不出现相邻者同时要求进餐，也不出现有人永远拿不到叉子。,问题描述（续）,方案1,#define N 5 / 哲学家个数void philosopher(int i) / 哲学家编号：0 4 while(TRUE) think( );/ 哲学家在思考 take_fork(
11、i);/ 去拿左边的叉子 take_fork(i + 1) % N);/ 去拿右边的叉子 eat( );/ 吃面条中. put_fork(i);/ 放下左边的叉子 put_fork(i + 1) % N);/ 放下右边的叉子 ,不正确，可能导致死锁。,方案2,while(1)/ 去拿两把叉子 take_fork(i);/ 去拿左边的叉子 if(fork(i+1)%N) / 右边叉子还在吗 take_fork(i + 1) % N);/ 去拿右边的叉子 break;/ 两把叉子均到手 else / 右边叉子已不在 put_fork(i);/ 放下左边的叉子 wait_some_time( );/
12、 等待一会儿 ,对拿叉子的过程进行了改进，但仍不正确,方案3,while(1)/ 去拿两把叉子 take_fork(i);/ 去拿左边的叉子 if(fork(i+1)%N) / 右边叉子还在吗 take_fork(i + 1) % N);/ 去拿右边的叉子 break;/ 两把叉子均到手 else / 右边叉子已不在 put_fork(i);/ 放下左边的叉子 wait_random_time( );/ 等待随机长时间 ,等待时间随机变化。可行，但非万全之策,方案4,semaphore mutex / 互斥信号量，初值1void philosopher(int i) / 哲学家编号i：04 w
13、hile(TRUE) think( );/ 哲学家在思考 P(mutex);/ 进入临界区 take_fork(i);/ 去拿左边的叉子 take_fork(i + 1) % N);/ 去拿右边的叉子 eat( );/ 吃面条中. put_fork(i);/ 放下左边的叉子 put_fork(i + 1) % N);/ 放下右边的叉子 V(mutex);/ 退出临界区 ,互斥访问。正确，但每次只允许一人进餐,方案4的缺点：它把就餐（而不是叉子）看成是必须互斥访问的临界资源，因此会造成（叉子）资源的浪费。从理论上说，如果有五把叉子，应允许两个不相邻的哲学家同时进餐。,S1 思考中S2 进入饥饿状
14、态；S3 如果左邻居或右邻居正在进餐，等待；否则转S4S4 拿起两把叉子；S5 吃面条S6 放下左边的叉子；S7 放下右边的叉子；S8 新的一天又开始了，转S1,哲学家就餐问题的解答,指导原则：要么不拿，要么就拿两把叉子。,S1 思考中S2 进入饥饿状态；S3 如果左邻居或右邻居正在进餐，进入阻塞状态； 否则转S4S4 拿起两把叉子；S5 吃面条S6 放下左边的叉子，看看左邻居现在能否进餐 （饥饿状态、两把叉子都在），若能则唤醒之；S7 放下右边的叉子，看看右邻居现在能否进餐， 若能，唤醒之；S8 新的一天又开始了，转S1,指导原则：不能浪费CPU时间；进程间相互通信。,必须有一个数据结构，来
15、描述每个哲学家的当前状态；该数据结构是一个临界资源，各个哲学家对它的访问应该互斥地进行进程互斥；一个哲学家吃饱后，可能要唤醒它的左邻右舍，两者之间存在着同步关系进程同步；,数据结构的定义,#define N5/ 哲学家个数#define LEFT(i+N-1)%N/ 第i个哲学家的左邻居#define RIGHT(i+1)%N/ 第i个哲学家的右邻居#define THINKING0/ 思考状态#define HUNGRY1/ 饥饿状态#define EATING2/ 进餐状态int stateN;/ 记录每个人的状态semaphore mutex;/ 互斥信号量，初值1semaphore s
16、N;/ 每人一个信号量，0,void philosopher(int i) / i的取值：0到N1 while(TRUE)/ 封闭式开发，一直循环 think( ); / 思考中 take_forks(i);/ 拿到两把叉子或被阻塞 eat( );/ 吃面条中 put_forks(i);/ 把两把叉子放回原处 ,函数philosopher的定义,/ 功能：要么拿到两把叉子，要么被阻塞起来。void take_forks(int i) / i的取值：0到N1 P(mutex);/ 进入临界区 statei = HUNGRY;/ 我饿了！ test(i); / 试图拿两把叉子 V(mutex);/
17、 退出临界区 P(si);/ 没有叉子便阻塞,函数take_forks的定义,void test(int i) / i的取值：0到N1 if(statei = HUNGRY / 第i人可以吃饭了 ,函数test的定义,/ 功能：把两把叉子放回原处，并在需要的时候，/ 去唤醒左邻右舍。void put_forks(int i) / i的取值：0到N1 P(mutex);/ 进入临界区 statei = THINKING;/ 交出两把叉子 test(LEFT); / 看左邻居能否进餐 test(RIGHT);/ 看右邻居能否进餐 V(mutex);/ 退出临界区,函数put_forks的定义,2.
18、4.3 读者写者问题,在一个航空定票系统当中，有很多个竞争的进程想要访问（读、写）系统的数据库。访问规则是：在任何时候，可以允许多个进程同时来读，但如果有一个进程想要更新 (写)该数据库，则其他的任何进程都不能访问，包括读者和写者。问题是：怎么样来编程实现读者和写者。,问题描述,问题分析,任何时候“写者”最多只允许一个，而“读者”可以有多个： “读写”是互斥的； “写写”是互斥的； “读读”是允许的；,基于读者优先策略的方法,假设读者来：1）若有其它读者在读，则不论是否有写者在等， 新读者都可以读（读者优先）；2）若无读者、写者，则新读者也可以读；3）若无读者，且有写者在写，则新读者等待；假设
19、写者来：1）若有读者，则新写者等待；2）若有其它写者，则新写者等待；3）若无读者和写者，则新写者可以写；,需要设置一个计数器rc，用来记录并发 运行的读者个数； 对于各个读者而言，该计数器是一个临 界资源，对它的访问必须互斥进行，因 此设置一个互斥信号量S_mutex； 对于各个写者而言、写者与所有的读者 而言，数据库是一个临界资源，对它的 访问必须互斥地进行，因此设置一个互 斥信号量S_db。,int rc = 0;/ 并发读者的个数semaphore S_mutex;/ 对rc的互斥信号量，初值1semaphore S_db;/ 对数据库的信号量，初值1,读者写者问题的一个解答,void
20、writer(void) while(TRUE) think_up_data( ); / 生成数据，非临界区 P(S_db); / 希望访问数据库 write_data_base( ); / 更新数据库 V(S_db); / 退出临界区 ,void reader(void) while(TRUE) P(S_mutex); / 互斥地访问计数器rc rc +; / 新增了一个读者 if(rc = 1) P(S_db); / 如果是第一个读者 V(S_mutex); / 退出对rc的访问 read_data_base( ); / 读取数据库的内容 P(S_mutex); / 互斥地访问计数器rc
21、rc -; / 减少一个读者 if(rc = 0) V(S_db); / 如果是最后一个读者 V(S_mutex); / 退出对rc的访问 use_data_read( ); / 使用数据，非临界区 ,对于基于读者优先策略的方法，只要有一个读者处于活动状态，后来的读者都会被接纳。如果读者源源不断地出现的话，那么写者就始终处于阻塞状态。,2.4.4 睡着的理发师问题,理发店里有一位理发师和一把理发椅，还有 N 张座椅供等候的顾客休息。在没有顾客的时候，理发师就会躺在理发椅上睡觉。因此，当有顾客来到理发店时，他必须先叫醒理发师。如果理发师正在理发时又有顾客来到，此时，如果有空椅子可坐，他们就会坐下
22、来等；如果没有空椅子，就会离开。问题：用信号量和P、V原语写出理发师和顾客行为的程序描述。,问题描述,睡着的理发师问题,（本图摘自Andrew S. Tanenbaum： “Modern Operating Systems” ）,S1 判断有多少人在等待， 有多少把椅子，若椅子 不够，转S5；S2 如果是第一个顾客，就 去叫醒理发师；S3 走到一把空椅子处坐下 等，等理发师叫自己；S4 理发中；S5 离开理发店。,问题分析,顾客的做法,S1 判断是否有人在等, 若没有，就去睡觉； 若有，转S2；S2 去唤醒一个正在等 待的顾客；S3 理发中；S4 转S1。,理发师的做法,需要设置一个整型的wa
23、iting变量，来 记录正在等待的顾客个数； 对于理发师和各个顾客而言，waiting 变量是一个临界资源，对它的访问必须 互斥地进行，因此需要设置一个互斥信 号量S_mutex； 顾客可能需要去唤醒理发师，理发师也 需要去唤醒顾客，两者之间存在着同步 关系，所以需要两个信号量S_customer 和S_barber。,#define CHAIRS 5 / 椅子的个数int waiting = 0; / 等待的顾客个数semaphore S_mutex; / 互斥信号量，初值为1semaphore S_customer; / 等待的顾客数，初值0semaphore S_barber; / 空闲
24、的理发师个数，0,睡着的理发师问题,void barber(void) while(TRUE) P(S_customer); / 若无顾客，睡去 P(S_mutex); / 申请对waiting的访问 waiting=waiting-1; / 等待的顾客数减1 V(S_barber); / 理发师有空（唤醒顾客） V(S_mutex); / 结束对waiting的访问 cut_hair( ); / 给顾客理发 ,理发师进程,void customer(void) P(S_mutex); / 申请对waiting的访问 if(waiting CHAIRS) waiting=waiting+1;
25、/ 等待的顾客数加1 V(S_customer); / 新增一顾客(唤醒理发师) V(S_mutex); / 结束对waiting的访问 P(S_barber); / 理发师有空否？ get_haircut( ); / 理发中 else V(S_mutex); / 理发店满员了，走先 ,顾客进程,2.4.5 管程（Monitor）,信号量方法的缺点,使用困难：各并发进程间的逻辑关系比较复杂， 在使用信号量时，必须小心谨慎，稍有不当（如 P、V操作的次序错误、重复或遗漏）就会出错； 出错后果严重：如竞争状态、死锁和各种无法预 料的、不可重现的错误现象； 可读性差：信号量的控制分布在整个程序中，其
26、 正确性分析很困难； 维护困难：各模块的独立性差，任一组变量或一 段代码的修改都可能影响全局。,void producer(void) int item; while(TRUE) item = produce_item( ); P(S_Buffer_Num); P(S_Mutex); insert_item(item); V(S_Mutex); V(S_Product_Num); ,两个P操作写反了导致死锁,void consumer(void) int item; while(TRUE) P(S_Product_Num); P(S_Mutex); item = remove_item( );
27、 V(S_Mutex); V(S_Buffer_Num); consume_item(item); ,P(S_Mutex); / 写反了 P(S_Buffer_Num);,为了更容易地编写出正确的程序，Hoare(1974)和Hansen(1975)提出了管程(monitor)的概念。其基本思想是：将共享变量以及对共享变量所进行的操作封装在一个模块中。,管程是由一组变量、数据结构和函数所构成的一种特殊的软件模块。,管程的引入,管程的定义：,monitor example integer i; condition c; procedure producer( ); end; procedure
28、consumer( ); end;end monitor;,封装性：进程可以调用管程当中的函数， 但是不能直接访问管程的内部数据结构； 互斥性：在任何时候，只允许一个进程在 管程中活动（即调用管程的函数）； 语言相关性：管程属于编程语言的范畴， 由编译器来识别并实现对管程内函数的互 斥访问。,管程的性质：,互斥：把共享数据封装在管程内，把各个 进程的临界区变成管程当中的函数。这样 就能够保证任何两个进程都不会同时进入 它们的临界区； 同步：在管程内部，应当具有某种等待机 制。当进入管程的进程因资源被占用等原 因不能继续运行时应使其等待。因此在管 程内部可以声明和使用一种特殊类型的变 量-条件变
29、量（condition variables）。,基于管程的进程同步与互斥：,条件变量：用来描述等待的原因。每个条件变量 表示一种等待的原因，它不取具体的数值。对条 件变量的操作：wait和signal； 当一个管程函数发现它不能继续执行下去时，使 用wait操作，使得调用它的进程进入阻塞状态， 同时允许其他的进程进入管程；而signal操作的 作用是唤醒某个正在等待的进程； 通过wait和signal操作即可实现进程间同步关系； wait操作和signal操作有点类似于P、V原语，但 条件变量不取具体的数值，不进行信号的累加， 因此在signal操作发出信号前，必须有wait操作在 等待，否则
30、该信号就丢失了。,条件变量,问题：当一个进程 P 用signal操作唤醒另外一个进程Q时，如何避免两个进程同时位于管程当中呢？,处理方法有三种：P等待，Q先执行，直到它退出管程或者再次被阻塞；P继续执行，等它退出管程后Q再执行；P在执行signal操作后立即退出管程，即把signal作为管程函数的最后一条语句。,基于管程的生产者消费者问题,2.5 进程间高级通信,低级通信：只能传递状态和整数值（控制信息），包括用来实现进程同步和互斥的信号量和管程机制。优点是速度快。缺点是：传送信息量小：每次通信传递的信息量固定，若需要传递较多信息，就得进行多次通信。编程复杂：用户需要直接去实现通信的细节，编程
31、复杂，容易出错。高级通信：能够传送任意数量的数据，包括三类：共享内存、管道、消息。,低级通信和高级通信,2.5.1 共享内存,绝大多数现代的操作系统都提供了相应的方法，来让各个进程共享它们地址空间当中的某些部分，即共享内存。在共享内存中，可以任意读写和使用任意的数据结构（缓冲区）。一组进程向共享内存中写，另一组进程从共享内存中读，通过这种方式实现两组进程间的信息交换。类似于生产者消费者问题中的缓冲区，需要进程的同步和互斥机制来确保数据的一致性。,2.5.2 管道（Pipe）,管道通信由UNIX首创，由于其有效性，后来的 一些系统相继引入了管道技术； 管道通信以文件系统为基础，所谓管道即连接两
32、个进程之间的一个打开的共享文件，专用于进程 之间的数据通信； 发送进程从管道的一端写入数据流，接收进程从 管道的另一端按先进先出的顺序读出数据； 在对管道文件进行读写过程中，发送进程和接收 进程要进行正确的同步和互斥，由系统自动完成,2.5.3 消息（message）,消息机制是由操作系统来维护的，进程在通信时 无须使用共享变量，而是以消息作为信息载体； 消息机制提供了两个原语操作（系统调用）： send(message)，消息大小定长或不定长； receive(message)； 如果进程P和Q想要进行通信，它们需要： 在两者之间建立一个通信链路； 使用send和receive交换信息。,直
33、接通信：通信双方必须指明与之通信的对象。 send(P, message)：发送一条消息给进程P； receive(Q, message)：从进程Q那里接收一条 消息。如果没有收到消息，可以阻塞起来等 待消息的到来，也可以立即返回； 操作系统维护着一个消息缓冲区，当一条消 息已经被发送，但还没有被接收时，系统自 动把它放在缓冲区当中。,消息传递模式,间接通信：进程间通过一个中间媒介信箱来 实现通信。当两个进程需要通信时，就创建一 个共享的信箱，通过该信箱来发送和接收消息。 send(A, message)发送一条消息到信箱A； receive(A, message)从信箱A接收一条消息；,消息传递模式（续）,下次课将介绍进程的调度问题，请提前预习相关的内容，即教材上的第2.5小节。,下 课 啦 !,
