进程同步与通信

第九讲进程同步与通信目的与要求：掌握信号量解决进程同步互斥问题的方法，掌握进程通信的基本实现方法。重点与难点：信号量的典型应用，通信实现。作业：15，16，17。4.2.5进程同步与互斥举例一、有限缓冲区问题问题描述：设有n个缓冲区，一组生产者进程往缓冲区写数据，一组消费者进程从缓冲区取数据，写取都以一个缓冲区为单位。说明：•将缓冲池看做是共享数据，对缓冲区的操作必须是互斥操作。•如果n个缓冲区全满，生产者进程必须等待。•如果缓冲区全空，消费者进程必须等待。有限缓冲区的生产者/消费者问题（生产者和消费者共享一个产品缓冲池）。共享N个缓冲区P1P2…PmC1C2…Cn生产者消费者缓冲池解：设置以下信号量•mutex,初值为1，控制互斥访问缓冲池。•full,初值为0，表示当前缓冲池中满缓冲区数，用于同步。•empty,初值为n，表示当前缓冲池中空缓冲区数，用于同步。有限缓冲区生产者/消费者进程描述如下：typeitem=…;varbuffer=…;full,empty,mutex:semaphor;nextp,nextc:item;beginfull:=0;empty:=n;mutex:=1;P(empty);P(mutex);addnextptobuffer;V(mutex);V(full);untilfalse;end;ParbeginProducer:beginrepeat…produceaniteminnextp;...…consumetheiteminnextc;…untilfalse;end;Parend;consumer:beginrepeatP(full);P(mutex);removeanitemfrombuffertonextc释放缓冲区V(mutex);V(empty);若存在一共享数据A，那些对它进行读访问者叫Reader，对它进行写访问者叫做Writer。第一类Reader/Writer问题：Reader和Writer争夺访问共享数据A时，Reader有较高优先数。表现在：除了某个Writer正在访问数据之外，任何情况下Reader欲访问数据均可以直接进行访问。二、Readers/Writers问题该问题可具体描述为：1.如果当前无人访问数据，则Reader/Writer欲访问即可访问。2.如果已存在一个Reader正在访问数据，其他欲访问Reader可马上访问（这体现Reader有较高优先权）；而欲访问的Writer必须等待。3.若某个Writer正访问数据，则欲访问的Reader/Writer都必须等待。（续）4.当最后一个结束访问数据的Reader发现有Writer正在等待时，则将其中一个唤醒。5.当某个Writer结束访问时，若只有Writer在等待，则唤醒某个Writer，若既有Writer也有Reader；则按FIFO或某它原则唤醒一个Writer或所有Reader。Reader的一般结构为：P(mutex)；readcount:=readcount+1;Ifreadcount=1thenP(wrt);V(mutex)；读数据AP（mutex）；readcount:=readcount-1;Ifreadcount=0thenV(wrt);V(mutex);Writer的一般结构为：P（wrt）;写数据AV（wrt）;三、哲学家就餐问题问题描述：五个哲学家五只筷子，哲学家循环做着思考和吃饭的动作，吃饭程序是：先取左边筷子，再取右边筷子，再吃饭，再放筷子。实现：为每个筷子设一把锁（信号量，初值为1）每个哲学家是一个进程。共享数据结构为：VarChopstick;array[0,4]ofsemaphore;第i个进程描述为(i=0,…,4)repeatP（chopstick[i]）;P(chopstick[(i+1)mod5])；吃V(chopstick[i]);V(Chopstick[(i+1)mod5]；思考untilfalse;(这可能导致死锁)4.3进程通信两种基本进程通信方法：1.共享存储（Shared-memory）：相互通信的进程有共享存储区。进程间可以通过直接读写共享存储区的变量来交互数据，同步与互斥在并发程序设计时安排进入程序。操作系统提供这样的共享存储区及某些同步互斥工具。2.消息传递(message-passing)：若进程间无共享空间，则必须通过消息传递通信，且必须通过OS系统调用实现。消息传递系统调用语句的一般形式:发送：Send&消息to目的地标识接收：Receive&消息from源地址标识.一、消息传递方法1.直接通信法基本思想：进程在发送和接收消息时直接指明接收者或发送者进程ID。缺点：必须指定接收进程ID（UNIX的信号机制类似这种形式）。4.3.1消息传递通信原理举例：（UNIX中两进程利用信号通信）。ProcessA┆kill(1040,SIGUSR1);#向1040号进程发送一个SIGUSR1信号。ProcessB┆Signal(SIGUSR1,func);#当收到SIGUSR1信号时，就执行func(),如果SIGUSR1信号未到，则系统登记func函数，待其信号到时再调用执行。┆┆2.间接通信法（信箱命名法〕基本思想：系统为每个信箱设一个消息队列，消息发送和接收都指向该消息队列，（每个进程可以对消息队列发送并接收/只发送/只接收)缺点：必须有一个通信双方共享的一个逻辑消息队列（UNIX的PIPE，FIFO及IPC消息传递机制都属于这种形式），使用时消息发送者约定写方式打开信箱,消息接收者约定读方式打开信箱或同时读写打开。优点：很容易建立双向通信链(只要对信箱说明为读写打开)。逻辑通信链容量：在通信发送者和接收者之间存在一条逻辑通信链，设链的容量是指该链暂存消息的能力。1.容量为0，表示链中无缓冲(不计链头的发送缓冲和链尾的接收缓冲)，这要求接收方必须在发送方之前发接收请求，否则发送失败。2.有限容量，表示链中有有限缓冲区、发送者不必等接收者发出接收请求，不必等接收者准备好接收缓冲区，即可将消息存于通信链中的缓冲区中。3.消息从发送方缓冲进入系统缓冲区，即可再次发新消息，无需等上一消息被完全接收。二、缓冲与同步发送者执行send()的同步问题：1.将发送者消息拷入通信链缓冲区，即将控制返回发送者。2.在将消息从硬通信通道发出后，将控制返回发送者。3.在消息由接收方节点的系统收到后，再将控制返回发送者。4.在消息由接收方收到后，再将控制返回发送者。5.在消息由接收方处理完后，再将控制返回发送者（RPC，LPC）。为实现3.,4.情形同步，需要建立回送到发送者所在系统的通信链，5.的情形需要建立回送到发送者的通信链。4.3.2进程通信示例直接通信消息系统的两个基本操作为：send(A)：A指向含接收者pid和消息正文的空间。Receive(A)：A指向缓冲区用于接收消息，该系统调用函数返回值是消息发送者pid。实现：系统有一用于进程通信的缓冲池，池中缓冲区用于存放消息及消息发送者pid和消息链指针(用pid定位进程PCB表)。Sender’spid消息正文Link消息缓冲区每个进程有一个消息队列，存放发送给该进程的消息，队列头存于PCB中，同时在PCB中设一互斥信号量mutex(初值为1)和一同步通信的信号量Sm（初值为0），Sm也用于计录消息队列中的消息数。...mutexSm...Sender’spidtextSender’spidtextReceiver’sPCBmessagemessageHptrSend(A):beginNew(p)；从缓冲池得一个buffer...置sender’spid；将A中消息送bufferp；获得Receiver’spid；P(mutex)；将bufferp挂入相应的消息队列；V(Sm)；V(mutex)；end；Receive(A)：beginP(Sm)；P(mutex)；从本进程的消息队列取一个bufferf；V(mutex)；从bufferf中取得消息正文送A,并得到sender’spid作为Receive()的返回值；...dispose(f)；#释放bufferf到缓冲池…end；注:new,dispose函数对缓冲池的访问也需要互斥.