第二章进程的描述与控制

1、第二章第二章 进程的描述与控制进程的描述与控制 软件工程学院计算机应用系目录目录1. 进程的基本概念进程的基本概念 2. 进程控制进程控制 3. 进程同步进程同步 4. 经典进程同步问题经典进程同步问题 5. 进程通信进程通信 6. 线程的基本概念线程的基本概念 是一个是一个有向无循环图有向无循环图，图中每个结点表示一个语句、一段，图中每个结点表示一个语句、一段程序或一个进程程序或一个进程表示表示S1S3S7S6S4S2S5 顺序性顺序性 封闭性封闭性 可再现性可再现性 ：程序的运行结果与其推进速度无关程序的运行结果与其推进速度无关 read(disk,&a,4); /*从磁盘读从磁盘读a*/

2、 c=a+2; printf(“c=%fn”,c);ICPI C P间断间断( (异步异步) )性：性：“运行暂停运行运行暂停运行”；失去封闭性失去封闭性不可再现性：不可再现性：进程的运行结果与其推进速度有关。进程的运行结果与其推进速度有关。 2.1 2.1 进程的基本概念进程的基本概念4. 进程的定义及特征进程的定义及特征n简单定义简单定义：一个程序的一次运行过程。一个程序的一次运行过程。n 特征：特征： 动态性：动态性：进程最基本的特征进程最基本的特征 结构特征结构特征： 程序数据程序数据PCB 321该程序所需的相关该程序所需的相关数据数据(变量、工作变量、工作空间，缓冲区等空间，缓冲区

3、等)该程序的执行上该程序的执行上下文下文(Context)一个可执行的程一个可执行的程序序2.1 2.1 进程的基本概念进程的基本概念 独立性：独立性：是系统进行资源分配和调度的独立单位，是能独是系统进行资源分配和调度的独立单位，是能独立运行的基本单位立运行的基本单位 并发性：并发性：程序在建立进程后并发运行程序在建立进程后并发运行 异步性：异步性：进程以不可预知的速度向前推进进程以不可预知的速度向前推进 n定义：定义：可并发执行的程序在一个数据集合上的一可并发执行的程序在一个数据集合上的一次运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独次运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。立单位。

4、2.1 2.1 进程的基本概念进程的基本概念 (1)从定义上看，进程是程序处理数据的过程，而程序是从定义上看，进程是程序处理数据的过程，而程序是一组指令的有序集合；一组指令的有序集合； (2)进程具有动态性、并发性、独立性和异步性等，而程进程具有动态性、并发性、独立性和异步性等，而程序不具有这些特性；序不具有这些特性； (3)从进程结构特性上看，它包含程序、数据和从进程结构特性上看，它包含程序、数据和PCB； (4)进程和程序并非一一对应：进程和程序并非一一对应：通过多次执行，一个程序通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可执行多个程可对应多个进程；通过调用关系，一个进程

5、可执行多个程序。序。2.1 进程的基本概念进程的基本概念 就绪状态：就绪状态：进程分配到必要的资源，等待获得进程分配到必要的资源，等待获得CPUCPU执行的状执行的状态。态。 组织成一个或多个就绪队列。组织成一个或多个就绪队列。 运行状态运行状态：进程分配到必要的资源，在进程分配到必要的资源，在CPUCPU上执行时的状态上执行时的状态 阻塞状态（等待状态）阻塞状态（等待状态）：正在执行的进程由于发生某事正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放弃处理机而处于暂停状态。件而暂时无法继续执行时，便放弃处理机而处于暂停状态。组织成一个或多个阻塞队列。组织成一个或多个阻塞队列。进程三种基本

6、状态的转换进程三种基本状态的转换运行运行就绪就绪阻塞阻塞等待事件等待事件 (系统服务请求，系统服务请求，如请求如请求I/O) 被调度或分派被调度或分派 时间片时间片用完用完 事件发生事件发生进程三种基本状态的转换：进程三种基本状态的转换：思考问题：思考问题：1.在进程状态转换时，下列哪一种状态转换是不可能发生的？在进程状态转换时，下列哪一种状态转换是不可能发生的？ A)就绪态就绪态运行态运行态 B)运行态运行态就绪态就绪态 C)运行态运行态等待态等待态 )阻塞态阻塞态运行态运行态 答案：答案：D2某进程在运行过程中需要等待从磁盘上读入数据，此时该进某进程在运行过程中需要等待从磁盘上读入数据，此

7、时该进程的状态将（程的状态将（ ）。）。 A.从就绪变为运行从就绪变为运行 B.从运行变为就绪从运行变为就绪 .从运行变为阻塞从运行变为阻塞 D.从阻塞变为就绪从阻塞变为就绪 答案：答案：C2.1 进程的基本概念进程的基本概念 引人挂起状态的原因：引人挂起状态的原因：（1 1）操作系统的需要；（）操作系统的需要；（2 2）终端用户的需要；）终端用户的需要；（3 3）父进程请求；）父进程请求； （4 4）负荷调节的需要。）负荷调节的需要。 进程状态的转换：进程状态的转换：静止就绪静止就绪静止阻塞静止阻塞挂起挂起挂起挂起激活激活激活激活（1 1）活动就绪）活动就绪 静止就绪静止就绪 （2 2）活动

8、阻塞）活动阻塞 静止阻塞静止阻塞（3 3）静止就绪）静止就绪 活动就绪活动就绪 （4 4）静止阻塞）静止阻塞 活动阻塞活动阻塞 (5) (5) 运行状态运行状态 静止就绪静止就绪挂起挂起具有挂起状态的进程状态转换具有挂起状态的进程状态转换活动就绪活动就绪运行运行活动阻塞活动阻塞静止阻塞静止阻塞静止就绪静止就绪wakeup (唤醒唤醒)事件发生事件发生挂起挂起suspend时间片完时间片完被调度被调度scheduler激活激活active挂起挂起suspend激活激活active挂起挂起suspend等待事件等待事件sleep事件发生事件发生wakeup (唤醒唤醒)（1）NULL 创建创建 （

9、2）创建）创建 活动就绪活动就绪（3）创建）创建 静止就绪静止就绪（4）执行）执行 终止终止补充：进程管理功能：补充：进程管理功能：（1 1）进程控制：）进程控制：控制进程状态转换；（2 2）进程同步：）进程同步：进程间运行顺序的协调：互斥方式；互斥方式；同步方式：同步方式： （3 3）进程通信：）进程通信：进程间的信息交换直接通信；直接通信；间接通信。间接通信。 （4 4）进程调度：）进程调度：进程间竞争临界资源进程间相互合作2.1 进程的基本概念进程的基本概念 程序：程序：描述进程要完成的功能描述进程要完成的功能 数据集合：数据集合：包含程序运行所需的数据和工包含程序运行所需的数据和工作区

10、作区 进程控制块（进程控制块（PCBPCB）：）：包含进程的描述信息包含进程的描述信息和控制信息，是进程动态特性的反映和控制信息，是进程动态特性的反映程序和数据集合是进程的实体程序和数据集合是进程的实体进程控制块是进程存在的唯一标志进程控制块是进程存在的唯一标志进程控制块是由进程控制块是由OSOS维护维护的用来记录的用来记录进程相关进程相关信息信息的一块内存。的一块内存。2.1 进程的基本概念进程的基本概念 进程标识符：进程标识符： 内部标识符、外部标识符内部标识符、外部标识符 处理机状态信息：处理机状态信息：（1 1）通用寄存器；）通用寄存器；（2 2）段寄存器；）段寄存器；（3 3）指令计

11、数器；）指令计数器；（4 4）程序状态字）程序状态字(PSW)(PSW)；3232位位CPUCPU有有8 8个个3232位的位的通用寄存器通用寄存器EAXEAX、EBXEBX、ECXECX、EDXEDX、ESIESI、EDIEDI、EBPEBP和和ESPESP 。EAXEAX：称为累加器，可用于乘、除、输入：称为累加器，可用于乘、除、输入/ /输出等操作；输出等操作；EBX:EBX:称为基地址寄存器称为基地址寄存器, , 可作为存储器指针来使用；可作为存储器指针来使用； ECX:ECX:称为计数寄存器称为计数寄存器, , 控制循环次数；控制循环次数；EDX:EDX:称为数据寄存器称为数据寄存器

12、, ,在进行乘、除运算时，作为默认的操作在进行乘、除运算时，作为默认的操作数参与运算，也可用于存放数参与运算，也可用于存放I/OI/O的端口地址。的端口地址。ESIESI：变址寄存器，是内存移动和比较操作的源地址寄存器；：变址寄存器，是内存移动和比较操作的源地址寄存器；EDIEDI：变址寄存器，是内存移动和比较操作的目标地址寄存器：变址寄存器，是内存移动和比较操作的目标地址寄存器EBPEBP：指针寄存器，存放堆栈帧的始址；：指针寄存器，存放堆栈帧的始址；ESP: ESP: 指针寄存器，当前堆栈栈顶位置。指针寄存器，当前堆栈栈顶位置。段寄存器是根据内存分段的管理模式而设置的。内存单元的段寄存器是

13、根据内存分段的管理模式而设置的。内存单元的物理地址由段寄存器的值和一个偏移量组合而成。物理地址由段寄存器的值和一个偏移量组合而成。3232位位CPUCPU有有6 6个，个，1616位位CPUCPU有有4 4个个 。CSCS：代码段寄存器，其值为代码段的段地址；：代码段寄存器，其值为代码段的段地址；DSDS：数据段寄存器，其值为数据段的地址；：数据段寄存器，其值为数据段的地址；ESES：附加段寄存器，其值为附加数据段的地址；：附加段寄存器，其值为附加数据段的地址；SSSS：堆栈段寄存器，其值为堆栈段的地址；：堆栈段寄存器，其值为堆栈段的地址；FSFS：附加段寄存器，其值为附加数据段的地址；：附加

14、段寄存器，其值为附加数据段的地址；GSGS：附加段寄存器，其值为附加数据段的地址。：附加段寄存器，其值为附加数据段的地址。中断允许位、陷入标志、中断允许位、陷入标志、任务嵌套标志、特权标任务嵌套标志、特权标志、溢出标志、符号标志、溢出标志、符号标志、零标志、进位标志志、零标志、进位标志等等2.1 进程的基本概念进程的基本概念 进程控制信息：进程控制信息：（1 1）程序和数据地址；）程序和数据地址；（2 2）进程同步和通信信息；）进程同步和通信信息；（3 3）资源清单；）资源清单；（4 4）链接指针）链接指针 链接方式：链接方式： 索引方式索引方式（1 1）就绪链表；）就绪链表；（2 2）执行进

15、程；）执行进程；（3 3）阻塞链表；）阻塞链表；（4 4）空白链表。）空白链表。 进程调度信息：进程调度信息：（1 1）进程状态；）进程状态；（2 2）进程优先级；）进程优先级；（3 3）事件；）事件；（4 4）其他信息）其他信息2.2 进程控制进程控制完成进程状态的转换。完成进程状态的转换。原语原语(primitive)(primitive)：由若干条指令构成的由若干条指令构成的“原子原子操作操作(atomic operation)”(atomic operation)”过程，完成某种特定过程，完成某种特定的功能，作为一个的功能，作为一个整体整体而而不可分割不可分割要么全都要么全都完成，要么

16、全都不做。完成，要么全都不做。 为了对进程控制，系统中必须设置一个机构，它为了对进程控制，系统中必须设置一个机构，它具有创建撤消以及进程通讯和资源管理等功能，这样具有创建撤消以及进程通讯和资源管理等功能，这样结构称为结构称为OS的内核的内核 (kernel)。2.2 进程控制进程控制用于进程控制的原语有：用于进程控制的原语有：(1) 创建进程原语创建进程原语 (2) 终止进程原语终止进程原语 (3) 挂起进程原语挂起进程原语 (4) 激活进程原语激活进程原语(5) 阻塞进程原语阻塞进程原语(6) 唤醒进程原语唤醒进程原语1.进程图概念：进程图概念： 描述系统中进程的家族关系的有向图。描述系统中

17、进程的家族关系的有向图。2. 系统启动过程：系统启动过程：机器加电，系统复位：机器加电，系统复位：CPUCPU初始化（初始化（CS=F000HCS=F000H，IP=FFF0HIP=FFF0H）CpuCpu执行第一条指令：执行第一条指令：JMPJMP（ROMBIOSROMBIOS中的启动程序入口中的启动程序入口加电自检加电自检POSTPOST初始化显卡、显示初始化显卡、显示BIOS信息、检测信息、检测CPU的类型和工作的类型和工作频率频率 、测试主机所有的内存、测试主机所有的内存 ；检测系统中的标准硬件设备：硬盘、检测系统中的标准硬件设备：硬盘、CD-ROM、软驱、软驱、串行接口和并行接口等连

18、接的设备串行接口和并行接口等连接的设备 ；检测和配置即插即用设备检测和配置即插即用设备 、更新扩展系统配置数据、更新扩展系统配置数据) 系统启动过程：系统启动过程：执行执行19H中断：中断：BOIS带的系统初始引导程序带的系统初始引导程序读入引导盘的第一个扇区到内存：读入引导盘的第一个扇区到内存：若是硬盘：主引导程序若是硬盘：主引导程序+硬盘分区表硬盘分区表读入可引导分区第一个扇区读入可引导分区第一个扇区Linux系统启动过程：系统启动过程： 执行执行bootsect.s程序：程序：1）将自身从）将自身从0 x7C00处移动到处移动到0 x90000处；处；2）调用）调用BIOS 13H中断读

19、入中断读入setup.s程序到程序到0 x90200处；处；3）读入磁盘驱动器参数）读入磁盘驱动器参数4）加载）加载system模块到模块到0 x1000处处5）跳转到）跳转到setup.s程序执行。程序执行。Linux系统启动过程：系统启动过程： 执行执行setup.s程序：程序：1）从）从BIOS中读取系统数据到中读取系统数据到0 x90000处；处；2）将）将system模块从模块从0 x10000移动到移动到0 x0000处；处；3）加载段描述符：中断描述符表寄存器、全局描述）加载段描述符：中断描述符表寄存器、全局描述符表寄存器；符表寄存器；4）重新对中断进行编程；）重新对中断进行编程

20、；5）转换到保护模式运行：将控制寄存器）转换到保护模式运行：将控制寄存器CR0的位的位0置置1即可；即可；6）跳转到）跳转到system模块执行；（该模块包括模块执行；（该模块包括head.s,main.c程序，内核模块等）程序，内核模块等）系统启动过程：系统启动过程： 执行执行head.s程序：程序：1）设置各个数据段寄存器；）设置各个数据段寄存器；2）设置中断描述符表；设置全局描述符表；）设置中断描述符表；设置全局描述符表；3）设置页目录表；设置）设置页目录表；设置4张页表；张页表；4）设置页目录基址寄存器）设置页目录基址寄存器CR3；5）启动使用分页处理：）启动使用分页处理：CR0的位的

21、位31为为1；6）跳转到）跳转到main.c执行；执行；head.s执行后的内存映像：执行后的内存映像：系统启动过程：执行系统启动过程：执行main.c利用利用setup.s程序取得的系统参数设置系统的根文件程序取得的系统参数设置系统的根文件设备号及一些内存全局变量设备号及一些内存全局变量建立可分页主内存区的内存块位示图建立可分页主内存区的内存块位示图初始化设备：块设备、字符设备、初始化设备：块设备、字符设备、tty初始化调度程序相关的数据结构：如任务数组、全局描述初始化调度程序相关的数据结构：如任务数组、全局描述符表、时钟中断处理句柄等符表、时钟中断处理句柄等初始化缓冲管理：如建立空闲缓冲区

22、链表等初始化缓冲管理：如建立空闲缓冲区链表等初始化硬盘、软驱管理等，并开启中断初始化硬盘、软驱管理等，并开启中断系统启动过程：执行系统启动过程：执行main.c转移到用户模式运行任务（进程）转移到用户模式运行任务（进程）0任务任务0调用调用fork()创建进程创建进程1进程进程1执行执行init()程序程序Init()：1）调用）调用setup()，读取硬盘参数包括分区表信息，读取硬盘参数包括分区表信息，建立虚拟盘，安装根文件系统设备；建立虚拟盘，安装根文件系统设备； 2）用读写方式打开）用读写方式打开“/dev/tty00”（终端控制台）（终端控制台） 3）创建）创建login进程等待用户登

23、录；进程等待用户登录； 4）登录成功后调用）登录成功后调用fork() 创建创建shell进程运行进程运行/bin/sh程序程序(1)用户登录。用户登录。(2)作业调度。作业调度。 3. 引起创建进程的事件：引起创建进程的事件： (3) 提供服务。提供服务。 (4) 应用请求。应用请求。 4. 创建进程原语创建进程原语的工作大致描述为：的工作大致描述为： (1)申请空白申请空白PCB；(2) 为新进程分配资源；为新进程分配资源； (3) 初始化进程控制块初始化进程控制块PCB； (4) 将新进程插入就绪队列。将新进程插入就绪队列。 调用 alloc _task _struct ()分配两个页面

24、存放task_struct 及 系统堆栈调用get _pid ()获得新建子进程PID1、调用copy_files()复制父进程已经打开的文件控制结构；2、调用copy_fs()复制父进程的根目录、安装点等；3、调用copy_sighand()复制父进程信号处理函数；4、调用copy_mm()复制父进程用户地址空间调用 copy _ thread()复制系统堆栈调用wake _ up _ process () 将子进程插入可运行进程队列3. 终止进程原语终止进程原语1) 正常结束2) 异常结束3) 外界干预 引起进程终止的事件：引起进程终止的事件： OSOS父进程终止父进程终止父进程请求父进程

25、请求（1）根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，获得该进程的状态（2）若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真。（3）若该进程还有子孙进程，终止其所有子孙进程。（4）回收资源（5）回收PCB 进程终止的过程：进程终止的过程： 1) 请求系统服务 2) 启动某种操作 3) 新数据尚未到达4) 无新工作可做：服务进程4. 阻塞与唤醒原语阻塞与唤醒原语 引起进程阻塞与唤醒的事件：引起进程阻塞与唤醒的事件： 1) 停止当前进程执行，并修改进程状态： 由“执行执行”改为“阻塞阻塞”；2) 将PCB插入阻塞阻塞队列； 3) 转调度程序重新进行调度。 进程阻

26、塞过程：进程阻塞过程： 1) 把被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中移出2) 修改PCB中的进程状态： 由阻塞阻塞改为就绪就绪3) 将该PCB插入到就绪队列中 进程唤醒过程：进程唤醒过程： 5. 挂起与激活原语挂起与激活原语(1) 用户进程请求将自己挂起用户进程请求将自己挂起(2) 父进程请求将自己的某个子进程挂起父进程请求将自己的某个子进程挂起(3) 父进程或用户进程请求激活指定进程，内存空间允许父进程或用户进程请求激活指定进程，内存空间允许 引起进程挂起和激活的事件引起进程挂起和激活的事件 ： 1) 修改被挂起进程的状态：修改被挂起进程的状态： 若处于若处于活动就绪状态活动就绪状态， 若处

27、于若处于活动阻塞状态活动阻塞状态， 若进程处于若进程处于运行状态运行状态，2) 将将该进程的该进程的PCB复制到某指定的内存区域复制到某指定的内存区域3) 可能会被换出到外存可能会被换出到外存4) 若被挂起的进程正在执行，则转调度程序重新调度若被挂起的进程正在执行，则转调度程序重新调度 进程挂起过程进程挂起过程 ： 便将其改为便将其改为静止就绪静止就绪；便将其改为便将其改为静止阻塞静止阻塞；便将其改为便将其改为静止就绪静止就绪；1) 将进程从外存调入内存；将进程从外存调入内存；2) 修改进程状态：若是修改进程状态：若是静止就绪静止就绪， 便将之改为便将之改为活动就绪活动就绪； 若为若为静止阻塞

28、静止阻塞， 便将之改为便将之改为活动阻塞活动阻塞。 3）修改）修改PCB中进程的程序和数据的地址；中进程的程序和数据的地址；4）将）将PCB插入相关队列。插入相关队列。 进程激活的过程进程激活的过程 ： 2.3 进程同步进程同步 进程间的制约关系进程间的制约关系（1 1）间接制约：）间接制约：相互竞争独占分配到的部分或全部相互竞争独占分配到的部分或全部共享资源，共享资源，“互斥互斥”系统中一次仅允许一个进程使用的一类资源。系统中一次仅允许一个进程使用的一类资源。 打印机，卡片输入机，磁带机、共享变量等。打印机，卡片输入机，磁带机、共享变量等。互斥：互斥：指的是对某个系统资源，一个进程正在使用它

29、，另指的是对某个系统资源，一个进程正在使用它，另外一个想用它的进程就必须等待，而不能同时使用外一个想用它的进程就必须等待，而不能同时使用 ； （2 2）直接制约）直接制约：相互协作等待来自其他进程的信：相互协作等待来自其他进程的信息，息，“同步同步”,即保证进程间的前驱后继关系。即保证进程间的前驱后继关系。共享变量的修改冲突共享变量的修改冲突例：民航售票系统，例：民航售票系统，n个售票处个售票处 /*Process Pi ,i=1,2,.,n*/ . /*按订票要求找到数据库中的共享数据按订票要求找到数据库中的共享数据xk*/ /*xk存放某月某日某次航班的现有票数存放某月某日某次航班的现有票

30、数*/ R=xk; /*现有票数现有票数*/ if(R=1) R-; xk=R; 输出一张机票；输出一张机票； else 显示显示“票已售完票已售完”；进程中访问临界资源的程序段。进程中访问临界资源的程序段。对同一临界资源进行操作的程序段。对同一临界资源进行操作的程序段。entry section 进入区进入区exit section 退出区退出区 critical section(临界区）临界区） remainder section（剩余区）（剩余区） 临界区临界区(critical section)(critical section)：进程中访问进程中访问临界资源的一段代码。临界资源的一段

31、代码。 进入区进入区(entry section)(entry section)：在进入临界区之在进入临界区之前，检查可否进入临界区的一段代码。前，检查可否进入临界区的一段代码。 退出区退出区(exit section)(exit section)：释放临界资源的释放临界资源的一段代码一段代码 剩余区剩余区(remainder section)(remainder section)：代码中的其代码中的其余部分。余部分。 空闲让进：其他进程均不处于临界区；空闲让进：其他进程均不处于临界区； 忙则等待：已有进程处于其临界区；忙则等待：已有进程处于其临界区； 有限等待：等待进入临界区的进程不能有限等

32、待：等待进入临界区的进程不能死等死等； 让权等待：不能进入临界区的进程，应释放让权等待：不能进入临界区的进程，应释放CPU（如转换到阻塞状态）如转换到阻塞状态） 有两个进程有两个进程P0, P1P0, P1： 设立一个公用整型变量设立一个公用整型变量 turnturn：描述允许进入临界区的进程描述允许进入临界区的进程标识，假设初始化标识，假设初始化turn=0turn=0，表示首先轮到，表示首先轮到P0P0访问临界资源。访问临界资源。while (turn != 0);while (turn != 0); critical section turn = 1; remainder section

33、P0P0的代码：的代码：while (turn != 1);while (turn != 1); critical section turn = 0; remainder sectionP1P1的代码：的代码： 缺点：缺点：强制轮流强制轮流进入临界区，没有考虑进入临界区，没有考虑进程的实际需要。容易造成进程的实际需要。容易造成资源利用不资源利用不充分充分：在：在PiPi出让临界区之后，出让临界区之后，PjPj使用临使用临界区之前，界区之前，PiPi不可能再次使用临界区；不可能再次使用临界区； 违背了空闲让进、让权等待的原则。违背了空闲让进、让权等待的原则。 设立一个标志数组设立一个标志数组fl

34、ag2flag2：描述进程是否已在临界区描述进程是否已在临界区，初值均为，初值均为0(FALSE)0(FALSE)，表示进程都不在临界区。，表示进程都不在临界区。 P0: while (flag1); flag0=1; 临界区临界区 flag0=0; P1: while (flag0); flag1=1; 临界区临界区 flag1=0; 违背了忙则等待原则；违背了让权等待原则违背了忙则等待原则；违背了让权等待原则 设立一个标志数组设立一个标志数组flag2flag2：描述进程是否希望进入临描述进程是否希望进入临界区，初值均为界区，初值均为0(FALSE)0(FALSE)，表示进程都不希望进入临

35、界区，表示进程都不希望进入临界区 P0: flag0=1; while (flag1); 临界区临界区 flag0=0; P1: flag1=1; while (flag0); 临界区临界区 flag1=0; 违背了空闲让进、有限等待、让权等待原则违背了空闲让进、有限等待、让权等待原则 设立一个标志数组设立一个标志数组flag2flag2：描述进程是否希望进入：描述进程是否希望进入临界区，初值均为临界区，初值均为0(FALSE)0(FALSE)，表示进程都不希望进入，表示进程都不希望进入临界区。临界区。intint turn=0, turn=0,表示首先轮到表示首先轮到P0P0进入临界区。进入

36、临界区。 P0: flag0=1; turn=1; while (flag1 &turn=1); 临界区临界区 flag0=0; P1: flag1=1; turn=0; while (flag0 & turn=0); 临界区临界区 flag1=0; 每一类临界资源设置一把锁每一类临界资源设置一把锁lock。 lock表示资源的两种状态：表示资源的两种状态：TRUE表示正被占用（表示正被占用（关锁状态）；关锁状态）；FALSE表示空闲（开锁状态）表示空闲（开锁状态）加锁操作加锁操作开锁操作开锁操作执行临界区程序执行临界区程序 临界区太长时，降低了中断响应速度；临界区太长时，降低了中断响应速度；

37、 加锁时加锁时CPU不断测试，处于忙等待；不断测试，处于忙等待； 不能实现多处理机系统中同类临界区互斥；不能实现多处理机系统中同类临界区互斥；关中断关中断开中断开中断执行临界区程序执行临界区程序 1. 整型信号量整型信号量 最初由Dijkstra把整型信号量定义为一个整型量，除初除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作始化外，仅能通过两个标准的原子操作(Atomic Operation) wait(S)和和signal(S)来访问。来访问。又分别称为P P、V V操作。 wait和和signal操作可描述为：操作可描述为： wait(S)或或P(S): while S0 do no-op； S

38、=S-1; signal(S)或或V(S): S =S+1; 缺点：存在缺点：存在“忙等忙等”现象。现象。信号量数据结构：信号量数据结构：typedef struct int value; /*信号量的值信号量的值*/ PCB * L; /*进程阻塞队列队首指针进程阻塞队列队首指针*/ semaphore ; 2. 记录型信号量记录型信号量 Value:初始化为一个非负整数值，表示空闲资源总初始化为一个非负整数值，表示空闲资源总数若为非负值表示当前的空闲资源数，若为负数若为非负值表示当前的空闲资源数，若为负值其绝对值表示当前等待临界资源的进程个数。值其绝对值表示当前等待临界资源的进程个数。 L

39、：初值为空初值为空 S-value-; if(S-valueL); semaphore *S; S-value+; if(S-valueL); 为临界资源设置一个为临界资源设置一个互斥信号量互斥信号量mutex(MUTualmutex(MUTual Exclusion)Exclusion)，其其初值为初值为1 1；在每个进程中将临界区；在每个进程中将临界区代码置于代码置于P(mutexP(mutex) )和和V(mutexV(mutex) )原语之间；原语之间； 必须必须成对使用成对使用P P和和V V原语，原语，P P、V V原语原语不能次序错误不能次序错误、重复或遗漏、重复或遗漏 P（mu

40、tex）critical sectionV（mutex）remainder section semaphore mutex=1,NULL; cobegin program pi while(1) P(mutex)； critical section for pi; /*进程进程pi临界区临界区*/ V(mutex)； remainder section for pi; coend例：民航售票系统，例：民航售票系统，n个售票处个售票处 semaphore mutex=1,NULL; cobegin program pi R=xk; /*现有票数现有票数*/ if(R=1) R-; xk=R; 输

41、出一张机票；输出一张机票； else 显示显示“票已售完票已售完”； coend 例：民航售票系统，例：民航售票系统，n个售票处个售票处 semaphore mutex=1,NULL; cobegin program pi P(mutex)； R=xk; /*现有票数现有票数*/ if(R=1) R-; xk=R; V(mutex)； 输出一张机票；输出一张机票； else 显示显示“票已售完票已售完”； coend 例：民航售票系统，例：民航售票系统，n个售票处个售票处 semaphore mutex=1,NULL; cobegin program pi P(mutex)； R=xk; /*

42、现有票数现有票数*/ if(R=1) R-; xk=R; V(mutex)； 输出一张机票；输出一张机票； else V(mutex)； 显示显示“票已售完票已售完”； coend 设置一个同步信号量设置一个同步信号量proceed1proceed1，其初值为，其初值为0 0 semaphore proceed1=0,NULL; cobegin 进程进程p1 P( proceed1)； 进程进程p2 V( proceed1)； . coend 教材教材P54P54：图：图2-122-12前驱图：前驱图：S1S2S3S4S5S6abcdefga,b,c,d,e,f,g:semaphore=0,0

43、,0,0,0,0,0cobegin s1: s1; v(a); v(b); s2: p(a); s2; v(c); v(d); s3: p(b); s3; v(e); s4: p(c); s4; v(f); s5: p(d); s5; v(g); s6: p(e); p(f); p(g); s6; coend 例：一辆公共汽车上，司机和售票员进程的同步例：一辆公共汽车上，司机和售票员进程的同步 program 司机司机 启动车辆启动车辆; 正常行车；正常行车； 到站停车；到站停车； program 售票员售票员 关闭车门关闭车门; 售票售票 打开车门打开车门; 分析：同步关系：分析：同步关系：

44、（1 1）售票员关闭车门）售票员关闭车门 司机启动车辆司机启动车辆（2 2）司机到站停车）司机到站停车 售票员打开车门售票员打开车门例：一辆公共汽车上，司机和售票员进程的同步例：一辆公共汽车上，司机和售票员进程的同步 semaphore drive_sem=0,NULL; semaphore conductor_sem=0,NULL; 到站停车到站停车打开车门打开车门关闭车门关闭车门启动车辆启动车辆 program 司机司机 启动车辆启动车辆; 正常行车；正常行车； 到站停车；到站停车； program 售票员售票员 关闭车门关闭车门; 售票售票 打开车门打开车门; 例：一辆公共汽车上，司机和

45、售票员进程的同步例：一辆公共汽车上，司机和售票员进程的同步 semaphore drive_sem=0,NULL; semaphore conductor_sem=0,NULL; cobegin program 司机司机 while(1) P(drive_sem)； /*等待关门等待关门*/ start a car; driving; /*正常行车正常行车*/ stopping; V(conductor_sem)； / /* *唤醒开门唤醒开门* */ / 到站停车到站停车打开车门打开车门关闭车门关闭车门启动车辆启动车辆 program 售票员售票员 while(1) close the do

46、or; V(drive_sem)； /*唤醒司机开车唤醒司机开车*/ sell tickets; /*售票售票*/ P(conductor_sem)； /*等待停车等待停车*/ open the door; coend （1）确定进程：确定进程： 包括进程的数量、进程的工作内容。包括进程的数量、进程的工作内容。（2 2）确定进程同步互斥关系：）确定进程同步互斥关系： 根据进程间是竞争临界资源还是相互合作处理上的前后根据进程间是竞争临界资源还是相互合作处理上的前后关关 系，来确定进程间是互斥还是同步。系，来确定进程间是互斥还是同步。（3 3）确定信号量：）确定信号量： 根据进程间的同步互斥关系确

47、定信号量个数、含义、初根据进程间的同步互斥关系确定信号量个数、含义、初始值，各进程需要对信号量进行的始值，各进程需要对信号量进行的PVPV操作。操作。（4 4）用类程序语言描述算法。）用类程序语言描述算法。使用信号量解决进程同步问题的步骤：使用信号量解决进程同步问题的步骤： 1. . 生产者消费者问题生产者消费者问题(the producer-consumer problem)问题描述：问题描述：若干进程通过若干进程通过有限的共享缓冲区有限的共享缓冲区交换数据。交换数据。其中，其中， 生产者生产者 进程不断写入，而进程不断写入，而 消费者消费者 进程不断进程不断读出；共享缓冲区共有读出；共享缓

48、冲区共有N N个；任何时刻只能有一个进程个；任何时刻只能有一个进程可对共享缓冲区进行操作。可对共享缓冲区进行操作。共享缓冲区生产指针消费指针Producer 1Producer 2.Producer MConsumer 1Consumer 2.Consumer N满空指针移动方向01234N-12.4经典进程同步问题经典进程同步问题 inout 分析分析： 确定进程：进程数量及工作内容；确定进程：进程数量及工作内容； 确定进程间的关系：确定进程间的关系： （1 1）互斥：）互斥：多个进程间互斥使用同一个缓冲池；多个进程间互斥使用同一个缓冲池； （2 2）同步：）同步：当缓冲池空时，消费者必须阻

49、塞等待；当缓冲池空时，消费者必须阻塞等待； 当缓冲池满时，生产者必须阻塞等待。当缓冲池满时，生产者必须阻塞等待。 设置信号量：设置信号量： MutexMutex：用于访问缓冲池时的互斥，初值是：用于访问缓冲池时的互斥，初值是1 1 FullFull：“满缓冲满缓冲”数目，初值为数目，初值为0 0； EmptyEmpty：“空缓冲空缓冲 数目，初值为数目，初值为N N。full+emptyfull+empty=N=N defineN 100 define MAXLEN 80 typedef struct int num; char arrayMAXLEN; Message ; semaphore

50、 mutex=1,NULL; semaphore empty=N,NULL; semaphore full=0,NULL; Message buffersN; int in =0, out=0; 算法描述：算法描述：cobegin program produceri Message p_puf; while(1) produce a message in p_buf; P(empty)； P(mutex)； buffersin = p_buf in =( in +1)%N; V(mutex)； V(full)； program consumerj Message c_buf; while(1)

51、 P(full)； P(mutex)； c_buf = buffersout； out =(out+1)%N; V(mutex)； V(empty)； consume the message in c_buf; coend 如果将消费者的两个如果将消费者的两个P P操作对调？操作对调？生产出一产品；生产出一产品； P（ mutex）；）；P（ empty ） ； P（ full）；）；P（ mutex ） ； 从缓冲区取出一产品；从缓冲区取出一产品；将该产品放入缓冲区将该产品放入缓冲区； V（mutex）；）；V（ mutex ） ； V（empty）；）； V（ full ） ； 消费该产品

52、；消费该产品；P（ full）；）；P（ mutex ） ；如果将消费者的两个如果将消费者的两个V V操作对调？操作对调？生产出一产品；生产出一产品； P（ full）；P（ empty ） ； P（ mutex）；P（ mutex ） ； 从缓冲区取出一产品；从缓冲区取出一产品；将该产品放入缓冲区将该产品放入缓冲区； V（empty）；V（ mutex ） ； V（mutex）； V（ full ） ； 消费该产品；消费该产品；V（ mutex）；）；V（ empty ） ；2. 哲学家进餐问题 问题描述：问题描述： 有五个哲学家有五个哲学家 坐在一张圆桌旁，在圆桌上有五坐在一张圆桌旁，在圆

53、桌上有五个盘子也五只筷子，他们的生活方式就是交替地进个盘子也五只筷子，他们的生活方式就是交替地进行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿时取其左右两只筷子，只有拿到这两只筷子是才能时取其左右两只筷子，只有拿到这两只筷子是才能进餐；进餐完毕，放下筷子继续思考。进餐；进餐完毕，放下筷子继续思考。 semaphore chopstick04=1,NULL;cobegin program philosopher（i） P(chopsticki)； P(chopsticki+1 mod 5); eating; V(chopsticki)； V (chops

54、ticki+1 mod 5); coend 算法描述：算法描述： semaphore chopstick04=1,NULL; semaphore sm=4,NULL; cobegin program philosopher（i） P(sm)； P(chopsticki)； P(chopsticki+1 mod 5); eating; V(chopsticki)； V (chopsticki+1 mod 5); V（sm）；）； coend 算法描述：算法描述：3. 3. 读者写者问题读者写者问题(the readers-writers problem) 问题描述：问题描述：对共享资源的读写操作

55、，任一时刻对共享资源的读写操作，任一时刻“写者写者”最多只允许一个，而最多只允许一个，而“读者读者”则允许多个则允许多个 当有写者在写数据时，其他写者和读者必须等待；当有写者在写数据时，其他写者和读者必须等待； 当有读者在读数据时，其他写者必须等待；但其他当有读者在读数据时，其他写者必须等待；但其他读者可以同时读数据。读者可以同时读数据。 3. 3. 读者写者问题读者写者问题(the readers-writers problem) 采用信号量机制：采用信号量机制： 信号量信号量wmutexwmutex表示表示“允许写允许写”，互斥使用数据，互斥使用数据，初值是，初值是1 1。 公共整形变量公

56、共整形变量ReadcountReadcount表示表示“正在读正在读”的读的读者数，初值是者数，初值是0 0； 信号量信号量RmutexRmutex：实现多个读者对：实现多个读者对ReadcountReadcount的的互斥操作，初值是互斥操作，初值是1 1。 wmutex:semaphore=1 /读者与写者之间、写者与读者与写者之间、写者与 写者之间互斥使用共享数据写者之间互斥使用共享数据 readcount: int = 0; /当前正在读的读者数量当前正在读的读者数量 rmutex :semaphore = 1 /多个读者互斥使用多个读者互斥使用 /readcount算法：算法：Cob

57、egin: Reader: begin Repeat wait(rmutex) if readcount=0 then wait(wmutex); readcount+; signal (rmutex); reading wait(rmutex); readcount-; if readcount=0 then signal(wmutex); signal(rmutex); until false; end;writer: begin repeat: wait(wmutex); writing signal(wmutex); until false end;coend; 3. 3. 写者优先的

58、读者写者问题写者优先的读者写者问题 问题描述：问题描述：对共享资源的读写操作，任一时刻对共享资源的读写操作，任一时刻“写者写者”最多只允许一个，而最多只允许一个，而“读者读者”则允许多个则允许多个 互斥写、读写互斥互斥写、读写互斥 写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）须等待，唤醒时优先考虑写者） 共享读共享读 wmutex:semaphore=1 /读者与写者之间、写者与读者与写者之间、写者与 写者之间互斥使用共享数据写者之间互斥使用共享数据S：semaphore=1 /当至少有一个写者准备访问共当至少有一个写者准备访问共

59、 享数据时，它可使后续的读者享数据时，它可使后续的读者 等待写完成等待写完成S2：semaphore1 /阻塞第二个以后的等待读者阻塞第二个以后的等待读者Readcount,writecount: int = 0,0; /当前读者数量、当前读者数量、 写者数量写者数量mutex1 :semaphore = 1 /多个读者互斥使用多个读者互斥使用 readcountmutex2 :semaphore = 1 /多个写者互斥使用多个写者互斥使用 writecount算法：算法：Cobegin: Reader: begin Repeat wait(S2); wait(S); wait(mutex1)

60、 if readcount=0 then wait(wmutex); readcount+; signal (mutex1); signal(S); signal(S2); reading wait(mutex1); readcount-; if readcount=0 then signal(wmutex); signal(mutex1); until false; begin;writer: begin repeat; wait(mutex2); if writecount=0 then wait(S); writecount+; signal （mutex2）; wait(wmutex)