操作系统管程机制课件

2.管程的定义

Hansen为管程下的定义是：“一个管程(monitor)定义了一种数据结构和并发进程在该数据结构上执行的一组操作，这组操作用来实现进程间的同步和改变管程中的数据”。用管程管理循环缓冲区时，要给出管程名称，给出与所管理的共享资源（缓冲区）有关的数据结构，给出在数据结构上执行的一组操作，以及数据结构的初始化代码。如图示。局部数据、条件变量、一组操作都属于定义性质的，初始化代码才是真正的管程体。8.4管程机制

第1页/共28页2.管程的定义Hansen为管程下的定义1用管程管理循环缓冲区时管程的定义。8.4管程机制

第2页/共28页用管程管理循环缓冲区时管程的定义。8.4管程机制第2页2局部数据和条件变量(2)条件变量是一种特殊变量，当进程在管程定义的操作中使用共享资源时，若无法继续运行，就在某个条件变量上执行wait()操作等待，将管程让给等候在管程外的进程使用，直等到有进程在该条件变量上做signal()操作才被唤醒。(1)局部数据是管程管理的共享资源的数据结构，是对共享资源的抽象。(3)条件变量不是计数器，也不像信号量那样对信号进行累计。若向有关条件变量发送信号(即调用signal()操作)，而在该条件变量上没有等待的进程，那么信号就丢失。8.4管程机制

第3页/共28页局部数据和条件变量(2)条件变量是一种特殊变量，当进程在管3(2)管程中定义的函数分两类：外部函数是那些进程可从外部调用的函数，是进程进入管程的入口；内部函数是只能由管程内的函数调用的函数，进程不知道它们的存在，不能调用它们。建立在局部数据和条件变量上的一组操作(1)管程管理的数据结构只能由在管程内部定义的函数访问，管程外部的函数不能作用在它们上面。(3)管程犹如一堵“围墙”，把共享变量代表的资源及对资源的操作围圈在管程内。进程要使用共享资源，只有通过管程提供的入口（即外部函数）才能够进入管程。另外管程一次只允许一个进程进入，以此保证对资源互斥地访问。8.4管程机制

第4页/共28页(2)管程中定义的函数分两类：外部函数是那些进程可从外部调4

管程管理的共享资源在使用前需要初始化，管程中的初始化代码部分完成这样的功能。由于前面两个部分给出的都是相关的定义，因此初始化代码是管程的管程体。管程数据结构的初始化代码8.4管程机制

第5页/共28页管程管理的共享资源在使用前需要初始化，5右侧是组成管程的三个部分，入口处的外面有请求进入管程的进程队列。左侧的管程等待区是各种等待队列。管程内部针对不同的条件变量，设置各种等待队列，以区分不同的等待原因。这些等待队列都在该管程的等待区里。条件c1队列cwait(c1)条件cn队列cwait(cn)紧急队列csignal局部数据(共享资源或数据结构)条件变量操作1：操作k：初始化代码请求进入管程队列入口退出管程等待区：管程：管程的结构8.4管程机制

第6页/共28页右侧是组成管程的三个部分，入口处的外面有请求进6在执行管程中定义的操作时，会因执行signal(ci)而将某个进程从条件变量ci的等待队列里唤醒。由于这些被唤醒的进程已经在管程中执行了部分任务，它们理应有比那些还没有进入管程的进程（即管程入口处请求进入的进程）优先得到执行的权利。因此，常把这些进程排成“紧急队列”。条件c1队列cwait(c1)条件cn队列cwait(cn)紧急队列csignal局部数据(共享资源或数据结构)条件变量操作1：操作k：初始化代码请求进入管程队列入口退出管程等待区：管程：8.4管程机制

第7页/共28页在执行管程中定义的操作时，会因执行signal7例8-7：利用例8-6管理缓冲区的管程，解决“生产者-消费者”问题。

在生产者进程里，由函数produce(x)生产一个产品，暂时放在变量x中。然后调用管程提供的入口函数append(x)，试图把x里的产品存放到缓冲区去，控制进入到管程buffer。8.4管程机制

第8页/共28页例8-7：利用例8-6管理缓冲区的管程，解决“生产者-消费8

append(x)检查缓冲区计数器，在in的指示下，把产品放到缓冲区指定位置。执行signal(empty)时，由于没有等待的消费者，故什么也不做就结束生产者进程的执行。若在append(x)还未执行signal(empty)时，有生产者或消费者进程到来，那么这些进程只能在管程外的等待进入队列里排队，等到执行signal(empty)后，才一个个地进入管程，从而保证使用管程管理资源的互斥性。利用管程，解决“生产者-消费者”问题。

8.4管程机制

第9页/共28页append(x)检查缓冲区计数器，在in的9若用完了n个缓冲区的位置。假定生产了第n+1个产品，并通过函数append(x)进入管程。这时，由于“count==N”成立，因此做操作“wait(full)”，该生产者进程就在有关full的条件变量队列里等待唤醒。利用管程，解决“生产者-消费者”问题。

8.4管程机制

第10页/共28页若用完了n个缓冲区的位置。假定生产了第n+10

进入管程的消费者进程首先调用管程的take(x)操作，以便从缓冲区里取出产品。8.4管程机制

第11页/共28页进入管程的消费者进程首先调用管程的tak118.2.1实现互斥的硬件方法

1.中断禁止

所谓“中断禁止”，是指进程以禁止中断的方法，构成临界区的进入区；以开中断的方法，构成临界区的退出区。8.2实现互斥的方法讨论

由于禁止中断后，时钟中断和其他中断都遭封杀，就不会发生CPU进行进程切换的事情。所以，通过中断禁止的办法，完全不必担心别的进程会进入临界区。这时程序的结构如图所示。禁止中断对于操作系统来说是实现互斥的一项很有用的技术。在系统内核中，利用它来保证访问共享资源的安全是方便的。第12页/共28页8.2.1实现互斥的硬件方法1.中断禁止12

由于禁止中断后，时钟中断和其他中断都遭封杀，就不会发生CPU进行进程切换的事情。所以，通过中断禁止的办法，完全不必担心别的进程会进入临界区。这时程序的结构如图所示。

8.2实现互斥的方法讨论

第13页/共28页由于禁止中断后，时钟中断和其他中断都遭封杀，13

一些计算机中有专门指令，功能是将内存单元的内容读到寄存器中，然后往该单元里写入一个非零值，且读和写操作是不可分割（即在一个指令周期内完成）。这种指令称为“测试并上锁(TSL)”。格式是：

TSLR,x8.2实现互斥的方法讨论

2.专用机器指令

第14页/共28页一些计算机中有专门指令，功能是将内存单元的14

程序中可利用TSL指令形成临界区的进入区，确保进程临界区间的执行是互斥的。如图所示是汇编语言程序中指令TSL的具体安排。

图中通过指令TSL把变量x里当前值读入寄存器R，同时把变量x设置为1。这样，寄存器R里保存的是变量x的原值，x的新值为1。8.2实现互斥的方法讨论

指令： CMPR,#1 JNEenter_section用于测试到变量x的原先值为1时，表明已有进程在其临界区里，别的进程就不能进入；只有在测试到变量x的原先值为0时，请求加入临界区的进程才能够进入它的临界区。也就是说，变量x起到一把“锁”的作用。

由指令MOVEx,#0完成退出临界区的功能，即把变量x设置为0。只有把“锁”x打开了，别的进程才可有机会进入自己的临界区。

利用指令TSL确实能够保证临界区的互斥，其缺点是当已有进程在临界区里时，欲进入临界区的进程就必须不断地去循环执行TSL指令和测试寄存器R的值，从而形成所谓的“忙等待”。第15页/共28页程序中可利用TSL指令形成临界区的进入区，确保158.2.2实现互斥的软件方法

8.2实现互斥的方法讨论

第16页/共28页8.2.2实现互斥的软件方法8.2实现互斥的方法讨论16如图是用类C语言描述的Peterson给出①进入临界区的方法：enter_section()

②退出临界区的方法：

exit_section()。8.2实现互斥的方法讨论

第17页/共28页如图是用类C语言描述的Peterson给出①进入临界区的方法17在算法里，用两个共享的量控制进程进入临界区：由变量turn的取值是0还是1，表示现在轮到哪个进程进入临界区；由数组元素interested[]，它以进程号（0或1）为下标，表示该进程是否有兴趣进入临界区。8.2实现互斥的方法讨论

第18页/共28页在算法里，用两个共享的量控制进程进入临界区：由变量turn的188.2实现互斥的方法讨论

Peterson算法是正确的，但遗憾的是它也存在忙等待的缺点。第19页/共28页8.2实现互斥的方法讨论Peterson算法是正确的，但198.5高级进程通信

用P、V操作实现的通信，称为进程间的低级通信。为使进程间能真正交换数据，操作系统设计有高级通信命令，提供给用户在程序一级使用。只要准备好所需的参数，直接调用它们就能在进程间传递大量信息。8.5.1消息缓冲通信

消息缓冲通信是一种直接通信方式，基本思想是消息发送者在自己的消息发送区形成消息，向系统申请消息缓冲区，把数据从消息发送区移到消息缓冲区中。通过发送命令，把这个消息缓冲区直接发送到消息接收者的消息队列里。接收者从自己的消息队列上摘下消息缓冲区，把里面的数据移到自己的消息接收区里，释放消息缓冲区。第20页/共28页8.5高级进程通信用P、V操作实20为实现消息缓冲通信，要解决如下问题：

(1)开辟消息缓冲区，每个消息缓冲区的构成是：发送消息的进程名或标识name；发送消息的长度size；发送消息的正文内容text；下一个消息缓冲区的指针nPtr。(2)系统要提供发送消息和接收消息的系统调用命令。比如发送命令为Send，接收命令为Receive。(3)进程PCB中增设管理消息队列的内容，它们是：消息队列的队首指针hPtr；mutex——在发送和接收中，Send和Receive都要操作，保证对进程消息队列进行互斥操作的信号量mutex，初值为1。8.5高级进程通信

第21页/共28页为实现消息缓冲通信，要解决如下问题：(1)开辟消息缓冲区21系统中两进程间进行直接数据传送的通信过程

8.5高级进程通信

第22页/共28页系统中两进程间进行直接数据传送的通信过程8.5高级进程通228.5高级进程通信

发送消息命令Send的工作步骤(1)向系统申请一个消息缓冲区；(2)填写消息缓冲区，并将消息发送区里的内容送入缓冲区；(3)根据接收进程名B，找到它的PCB，把消息缓冲区链入它的消息队列队尾。第23页/共28页8.5高级进程通信发送消息命令Send的工作步骤(1)238.5高级进程通信

接收消息的命令Receive的工作步骤(1)从自己的消息队列上摘下第1个消息缓冲区；(2)将消息缓冲区里的内容送入消息接收区；(3)释放所占用的消息缓冲区。第24页/共28页8.5高级进程通信接收消息的命令Receive的工作步骤24Receive的处理流程Send的处理流程8.5高级进程通信

第25页/共28页Receive的处理Send的处理8.5高级进程通信258.5.2信箱通信

信箱通信也称间接通信，指进程间通过信箱来传递消息。基本思想是一个进程与另一个进程进行通信时，先创建链接这两个进程的信箱。然后，发送者把消息投入与接收者相连的信箱，接收者从信箱里接收所需要的消息。信箱由“信箱头（或信箱说明）”和“信箱体”两部分组成，如图所示。8.5高级进程通信

第26页/共28页8.5.2信箱通信信箱通信也称间接通信26信箱由“信箱头（或信箱说明）”和“信箱体”两部分组成。

信箱头给出信箱大小(size)、存信件指针(inPtr)、取信件指针(outPtr)、空闲格子信号量(si)以及信件格子信号量(so)等管理信息。信箱体用来存放消息，每个消息放在一个格子里。8.5高级进程通信

第27页/共28页信箱由“信箱头（或信箱说明）”和“信箱体”两部分组成。27感谢您的观看！第28页/共28页感谢您的观看！第28页/共28页282.管程的定义

Hansen为管程下的定义是：“一个管程(monitor)定义了一种数据结构和并发进程在该数据结构上执行的一组操作，这组操作用来实现进程间的同步和改变管程中的数据”。用管程管理循环缓冲区时，要给出管程名称，给出与所管理的共享资源（缓冲区）有关的数据结构，给出在数据结构上执行的一组操作，以及数据结构的初始化代码。如图示。局部数据、条件变量、一组操作都属于定义性质的，初始化代码才是真正的管程体。8.4管程机制

第1页/共28页2.管程的定义Hansen为管程下的定义29用管程管理循环缓冲区时管程的定义。8.4管程机制

第2页/共28页用管程管理循环缓冲区时管程的定义。8.4管程机制第2页30局部数据和条件变量(2)条件变量是一种特殊变量，当进程在管程定义的操作中使用共享资源时，若无法继续运行，就在某个条件变量上执行wait()操作等待，将管程让给等候在管程外的进程使用，直等到有进程在该条件变量上做signal()操作才被唤醒。(1)局部数据是管程管理的共享资源的数据结构，是对共享资源的抽象。(3)条件变量不是计数器，也不像信号量那样对信号进行累计。若向有关条件变量发送信号(即调用signal()操作)，而在该条件变量上没有等待的进程，那么信号就丢失。8.4管程机制

第3页/共28页局部数据和条件变量(2)条件变量是一种特殊变量，当进程在管31(2)管程中定义的函数分两类：外部函数是那些进程可从外部调用的函数，是进程进入管程的入口；内部函数是只能由管程内的函数调用的函数，进程不知道它们的存在，不能调用它们。建立在局部数据和条件变量上的一组操作(1)管程管理的数据结构只能由在管程内部定义的函数访问，管程外部的函数不能作用在它们上面。(3)管程犹如一堵“围墙”，把共享变量代表的资源及对资源的操作围圈在管程内。进程要使用共享资源，只有通过管程提供的入口（即外部函数）才能够进入管程。另外管程一次只允许一个进程进入，以此保证对资源互斥地访问。8.4管程机制

第4页/共28页(2)管程中定义的函数分两类：外部函数是那些进程可从外部调32

管程管理的共享资源在使用前需要初始化，管程中的初始化代码部分完成这样的功能。由于前面两个部分给出的都是相关的定义，因此初始化代码是管程的管程体。管程数据结构的初始化代码8.4管程机制

第5页/共28页管程管理的共享资源在使用前需要初始化，33右侧是组成管程的三个部分，入口处的外面有请求进入管程的进程队列。左侧的管程等待区是各种等待队列。管程内部针对不同的条件变量，设置各种等待队列，以区分不同的等待原因。这些等待队列都在该管程的等待区里。条件c1队列cwait(c1)条件cn队列cwait(cn)紧急队列csignal局部数据(共享资源或数据结构)条件变量操作1：操作k：初始化代码请求进入管程队列入口退出管程等待区：管程：管程的结构8.4管程机制

第6页/共28页右侧是组成管程的三个部分，入口处的外面有请求进34在执行管程中定义的操作时，会因执行signal(ci)而将某个进程从条件变量ci的等待队列里唤醒。由于这些被唤醒的进程已经在管程中执行了部分任务，它们理应有比那些还没有进入管程的进程（即管程入口处请求进入的进程）优先得到执行的权利。因此，常把这些进程排成“紧急队列”。条件c1队列cwait(c1)条件cn队列cwait(cn)紧急队列csignal局部数据(共享资源或数据结构)条件变量操作1：操作k：初始化代码请求进入管程队列入口退出管程等待区：管程：8.4管程机制

第7页/共28页在执行管程中定义的操作时，会因执行signal35例8-7：利用例8-6管理缓冲区的管程，解决“生产者-消费者”问题。

在生产者进程里，由函数produce(x)生产一个产品，暂时放在变量x中。然后调用管程提供的入口函数append(x)，试图把x里的产品存放到缓冲区去，控制进入到管程buffer。8.4管程机制

第8页/共28页例8-7：利用例8-6管理缓冲区的管程，解决“生产者-消费36

append(x)检查缓冲区计数器，在in的指示下，把产品放到缓冲区指定位置。执行signal(empty)时，由于没有等待的消费者，故什么也不做就结束生产者进程的执行。若在append(x)还未执行signal(empty)时，有生产者或消费者进程到来，那么这些进程只能在管程外的等待进入队列里排队，等到执行signal(empty)后，才一个个地进入管程，从而保证使用管程管理资源的互斥性。利用管程，解决“生产者-消费者”问题。

8.4管程机制

第9页/共28页append(x)检查缓冲区计数器，在in的37若用完了n个缓冲区的位置。假定生产了第n+1个产品，并通过函数append(x)进入管程。这时，由于“count==N”成立，因此做操作“wait(full)”，该生产者进程就在有关full的条件变量队列里等待唤醒。利用管程，解决“生产者-消费者”问题。

8.4管程机制

第10页/共28页若用完了n个缓冲区的位置。假定生产了第n+38

进入管程的消费者进程首先调用管程的take(x)操作，以便从缓冲区里取出产品。8.4管程机制

第11页/共28页进入管程的消费者进程首先调用管程的tak398.2.1实现互斥的硬件方法

1.中断禁止

所谓“中断禁止”，是指进程以禁止中断的方法，构成临界区的进入区；以开中断的方法，构成临界区的退出区。8.2实现互斥的方法讨论

由于禁止中断后，时钟中断和其他中断都遭封杀，就不会发生CPU进行进程切换的事情。所以，通过中断禁止的办法，完全不必担心别的进程会进入临界区。这时程序的结构如图所示。禁止中断对于操作系统来说是实现互斥的一项很有用的技术。在系统内核中，利用它来保证访问共享资源的安全是方便的。第12页/共28页8.2.1实现互斥的硬件方法1.中断禁止40

由于禁止中断后，时钟中断和其他中断都遭封杀，就不会发生CPU进行进程切换的事情。所以，通过中断禁止的办法，完全不必担心别的进程会进入临界区。这时程序的结构如图所示。

8.2实现互斥的方法讨论

第13页/共28页由于禁止中断后，时钟中断和其他中断都遭封杀，41

一些计算机中有专门指令，功能是将内存单元的内容读到寄存器中，然后往该单元里写入一个非零值，且读和写操作是不可分割（即在一个指令周期内完成）。这种指令称为“测试并上锁(TSL)”。格式是：

TSLR,x8.2实现互斥的方法讨论

2.专用机器指令

第14页/共28页一些计算机中有专门指令，功能是将内存单元的42

程序中可利用TSL指令形成临界区的进入区，确保进程临界区间的执行是互斥的。如图所示是汇编语言程序中指令TSL的具体安排。

图中通过指令TSL把变量x里当前值读入寄存器R，同时把变量x设置为1。这样，寄存器R里保存的是变量x的原值，x的新值为1。8.2实现互斥的方法讨论

指令： CMPR,#1 JNEenter_section用于测试到变量x的原先值为1时，表明已有进程在其临界区里，别的进程就不能进入；只有在测试到变量x的原先值为0时，请求加入临界区的进程才能够进入它的临界区。也就是说，变量x起到一把“锁”的作用。

由指令MOVEx,#0完成退出临界区的功能，即把变量x设置为0。只有把“锁”x打开了，别的进程才可有机会进入自己的临界区。

利用指令TSL确实能够保证临界区的互斥，其缺点是当已有进程在临界区里时，欲进入临界区的进程就必须不断地去循环执行TSL指令和测试寄存器R的值，从而形成所谓的“忙等待”。第15页/共28页程序中可利用TSL指令形成临界区的进入区，确保438.2.2实现互斥的软件方法

8.2实现互斥的方法讨论

第16页/共28页8.2.2实现互斥的软件方法8.2实现互斥的方法讨论44如图是用类C语言描述的Peterson给出①进入临界区的方法：enter_section()

②退出临界区的方法：

exit_section()。8.2实现互斥的方法讨论

第17页/共28页如图是用类C语言描述的Peterson给出①进入临界区的方法45在算法里，用两个共享的量控制进程进入临界区：由变量turn的取值是0还是1，表示现在轮到哪个进程进入临界区；由数组元素interested[]，它以进程号（0或1）为下标，表示该进程是否有兴趣进入临界区。8.2实现互斥的方法讨论

第18页/共28页在算法里，用两个共享的量控制进程进入临界区：由变量turn的468.2实现互斥的方法讨论

Peterson算法是正确的，但遗憾的是它也存在忙等待的缺点。第19页/共28页8.2实现互斥的方法讨论Peterson算法是正确的，但478.5高级进程通信

用P、V操作实现的通信，称为进程间的低级通信。为使进程间能真正交换数据，操作系统设计有高级通信命令，提供给用户在程序一级使用。只要准备好所需的参数，直接调用它们就能在进程间传递大量信息。8.5.1消息缓冲通信

消息缓冲通信是一种直接通信方式，基本思想是消息发送者在自己的消息发送区形成消息，向系统申请消息缓冲区，把数据从消息发送区移到消息缓冲区中。通过发送命令，把这个消息缓冲区直接发送到消息接收者的消息队列里。接收者从自己的消息队列上摘下消息缓冲区，把里面的数据移到自己的消息接收区里，释放消息缓冲区。第20页/共28页8.5高级进程通信用P、V操作实48为实现消息缓冲通信，要解决如下问题：

(1)开辟消息缓冲区，每个消息缓冲区的构成是：发送消息的进程名或标识name；发送消息的长度size；发送消息的正文内容text；下一个消息缓冲区的指针nPtr。(2)系统要提供发送