91操作系统-信号量应用

第二章进程管理第二章进程管理2.1进程的基本概念2.2进程控制2.3进程同步2.4经典进程的同步问题2.5进程通信第二章进程管理2.3进程同步2.3.1进程同步的基本概念2.3.2信号量机制2.3.3信号量的应用第二章进程管理1.进程同步的概念–所谓进程同步，在多道技术下，对多个相关进程在执行次序上的协调、正确，OS中用于保证这种关系的相应机制称为进程同步机制。2.3.1进程同步的基本概念第二章进程管理并发进程之间由于资源共享和进程合作，使处于一个系统内的进程存在制约关系：–直接相互制约关系：源于进程间的合作。进程A通过缓冲区向进程B提供数据用于计算输入进程A计算进程B2、进程的制约关系第二章进程管理进程间关系–间接相互制约关系：源于共享系统资源。相互制约的进程本身并没有关系，但由于申请使用相同的资源，但这个资源一段时间内只允许一个进程使用，这时两个进程是间接制约关系。第二章进程管理3。临界资源(CriticalResouce)–定义：在一段时间内，只允许一个进程访问的资源。软件：共享变量（存储单元）硬件：打印机、扫描仪（多个任务不能穿插使用）–并发进程应互斥地访问临界资源。（以飞机售票系统为例）第二章进程管理•…………n=xn=n-1;x=n;……•…………m=xm=m-1;x=m;……X=10•…………n=xn=n-1;x=n;……A进程B进程同一段程序。两个终端第二章进程管理•…………n=xn=n-1;x=n;……•…………m=xm=m-1;x=m;……X=10•…………n=xn=n-1;x=n;……A进程B进程三条语句不能分开公共资源第二章进程管理临界区4.临界区(CriticalSection)–定义：对临界资源访问代码段称为临界区。对临界资源的访问控制可以通过对进入临界区的控制。互斥访问临界区便可实现对临界资源的互斥访问。第二章进程管理临界区互斥访问描述：相应的，在临界区后也应加上一段“退出区”（extisection）代码用于将正在被访问的标志恢复为未访问的标志。每个进程在进入临界区之前，应先对临界资源做检查，看临界资源是否正被访问，为此，每个进程在进入临界区之前，应设置一段用于上述检查的代码，称为“进入区”代码（entrysection）如果临界资源空闲，则进入，并设置正在被访问的标志。第二章进程管理访问临界资源的循环进程描述EntrysectionCriticalsectionExitsectionRemaindersectionrepeatuntilfalse第二章进程管理5.同步机制应遵循的规则(1)空闲让进(2)忙则等待(3)有限等待（避免“死等”）确保在有限的时间内进程可以进入自己的临界区(4)让权等待（释放CPU）进程不能进入临界区，应立即释放处理机，不能一直检测，以免进程陷入“忙等”第二章进程管理EntrysectionCriticalsectionExitsectionRemaindersectionrepeatuntilfalse如何实现Entrysection和Eixtsection??第二章进程管理2.3.2信号量机制一、什么是信号量信号量是一个特殊变量，除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作wait(s)和signal(S)来访问，这两个操作一直被称为P操作和V操作。这个变量时整型变量，代表物理实体。–wait(S)和signal(S)一直被分别称为P、V操作,亦可记作P(s),V(s)。第二章进程管理1.2.记录型信号量机制3.AND型信号量机制4.信号量集机制信号量分类第二章进程管理1.整型信号量机制（计数型）将信号量S定义成一个整数。•P（S）、V（S）操作Wait和signalP(S)wait(S):whileS≤0dono-opS∶=S-1;(获取对资源访问权)V(S)singal:S∶=S+1;(释放访问权)第二章进程管理1.整型信号量机制（续）•利用信号量实现进程互斥访问临界资源varmutex：semaphore:=1;Processi:beginrepeatWait(mutex);(获取资源)CritricalSection;Signal(mutex);(释放资源)ReminderSectionuntilfalseend;……endEntrysectionCriticalsectionExitsectionRemaindersectionrepeatuntilfalse第二章进程管理整型信号量的缺陷–在整型信号量机制中的wait操作，只要是信号量S≤0，就会不断地测试。因此，该机制并未遵循“让权等待”的准则，而是使进程处于“忙等”的状态。第二章进程管理课堂练习1、为什么进程在进入临界区之前，应先执行“进入区”代码？在退出前又要执行“退出去”代码？2、你认为整型信号量机制是否完全遵循了同步机制的四条准则，为什么？第二章进程管理2.记录型信号量机制•记录型信号量–在整型信号量机制中的wait操作，只要是信号量S≤0，就会不断地测试。因此，该机制并未遵循“让权等待”的准则，而是使进程处于“忙等”的状态。–记录型信号量机制，则是一种不存在“忙等”现象的进程同步机制。但在采取了“让权等待”的策略后，又会出现多个进程等待访问同一临界资源的情况。–为此，在信号量机制中，除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value外，还应增加一个进程链表L，用于链接上述的所有等待进程。第二章进程管理2.记录型信号量机制(续1)记录型信号量的wait(S)(P(S))操作可描述为：procedurewait(S)varS:semaphore;beginS.value∶=S.value-1;ifS.value＜0thenblock(S.L)end第二章进程管理–1、S.value的初值表示系统中某类资源的数目，又称为资源信号量；如S.value的初值为1，表示只允许一个进程访问临界资源，此时的信号量转化为互斥信号量。–2、每次wait操作，意味着进程请求一个单位的该类资源，描述为S.value∶=S.value-1；–3、当S.value＜0时，表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用block原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L中。遵循了“让权等待”准则。–4、当S.value＜0时，S.value的绝对值表示在该信号量链表中已阻塞进程的数目。第二章进程管理2.记录型信号量机制(续1)记录型信号量的signal(S)(V(S))操作可描述为：proceduresignal(S)varS:semaphore;beginS.value∶=S.value+1;ifS.value≤0thenwakeup(S.L);end第二章进程管理•记录型信号量的物理意义(资源共享)–S.value的初值表示系统中某类资源的数目，又称为资源信号量；–当S.value0时，表示该类资源尚未分配完，还有S.value个。–对信号量的每次signal操作，表示执行进程释放一个单位资源，S.value∶=S.value+1操作表示资源数目加1。–若加1后仍是S.value≤0，则表示在该信号量链表中，仍有等待该资源的进程被阻塞，故还应调用wakeup原语，将S.L链表中的等待进程唤醒。–如S.value的初值为1，表示只允许一个进程访问临界资源，此时的信号量转化为互斥信号量。第二章进程管理1.利用信号量实现进程互斥2.利用信号量描述前趋关系3.利用信号量实现进程同步2.3.3信号量的应用第二章进程管理1.利用信号量实现进程互斥Varmutex:semaphore∶=1;Beginparbeginprocess1:beginrepeatP(mutex);criticalsection;V(mutex);remainderseetion;untilfalse;endprocess2:beginrepeatP(mutex);criticalsection;V(mutex);remaindersection;untilfalse;endparendEnd.第二章进程管理1.利用信号量实现进程互斥（例）例1：过山洞/独木桥（一次只允许一人通过）问题Varmutex:semaphore:=1;(tunnel,bridge)ParbeginPi:begin…Wait(mutex);Pass;‘通过Signal(mutex);…Endparend第二章进程管理前趋图举例S4S5S3S1S6S22.利用信号量实现前趋关系(进程间执行的先后关系)•方法：为实现进程之间的前驱关系，考虑在S1和S2之间设置一个公用信号量a,并赋予初始值为0，在s1执行完毕后signal(a),而在s2执行之前插入wait(a);abcdfge由于a的初始值为0，这样在并发执行的过程中如果先执行S2则必定阻塞，只有执行完S1,a增1后S2才能顺利执行第二章进程管理3.利用信号量实现进程同步•例1：计算进程CP、打印进程IOP共享一个缓冲区Buffer，计算进程CP一次向Buffer中送一批数据，打印进程IOP一次从Buffer中取一批数据去打印，请用记录型信号量和P、V操作实现两进程的同步。CPIOPBUFFER第二章进程管理3.利用信号量实现进程同步(续1)VarSa,Sb:semaphore:=1,0;BeginParbeginCP:BeginRepeatComputenextnumber;P(Sa);AddtoBuffer;V(Sb);UntilFalseEndIOP:BeginRepeatP(Sb);GetNumberFromBuffer;V(Sa);PrinttheNumber；UntilFalseEndParendEnd.第二章进程管理如何设置信号量•信号量的意义：•Sa：缓冲区是否空；•Sb：缓冲区是否有数据；第二章进程管理3.利用信号量实现进程同步(续2)•例2：医生进程Doctor，化验进程Lab共同完成病人的诊治工作，医生开化验单，化验进程进行化验，医生根据化验结果进行诊断。请用记录型信号量和P、V操作实现两进程的同步。