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操作系统与实验教程 第3章第4讲 3.3 进程同步与互斥 3.3.1问题的提出 为了解决多道程序并发执行时产生的与时间有关的错误，协调并发进程间的正常运行。 3.3.2 临界资源与临界区 两个概念：临界资源与临界区。 1．临界资源 临界资源指的是一次只允许一个进程使用的独占资源。各进程对它的访问必须互斥。（包括系统资源及用户资源） （如CPU，例3-2中的剩余机票X等） 2．临界区 临界区是指包含了访问临界资源的那段程序。 临界区作为特殊的程序段进行如下处理： 1）进程在进入临界区之前必须先申请， 2）当且仅当临界区中涉及的临界资源没有其它进程使用时才能进 入临界区； 3）在出临界区后立即释放临界资源。 3.3.3 互斥问题与同步问题 1．互斥问题 互斥必要条件： ⑴．各进程共享同一个临界资源； ⑵．共享的方式是先来者先使用的异步方式。 只有同时满足以上两个必要条件的多进程共享临界资源的问题， 才是互斥问题。 由于临界资源是多进程共享的公共资源，所以称解决互斥问题的信号量为公用信号量； 这些共享同一个临界资源的进程之间的关联属于间接关联； 各进程对于临界资源以异步的方式共享。 因此，这类问题属于互斥问题，需要使用操作系统提供的互斥机制来解决。 1．互斥问题 操作系统提供的互斥机制必须满足以下要求： ⑴．实现互斥。即任意时刻最多只能有一个进程进入临界区。 ⑵．执行临界区的进程不能受到其它进程的干扰。 ⑶．进入临界区的进程不能被无限期地延迟或死锁。 ⑷．当临界资源空闲时，应该允许申请进入临界区的进程进入临界区。 ⑸．没有对于进程相对速度和数目的限制。 1．互斥问题 解决互斥问题，最简单的方法：采用全局变量实现 1．互斥问题 上锁原语算法lock 输入：锁变量w 输出：无 { /*检测锁位为0吗？不为0继续检测*/ while(w==1); w=1; //进入临界区前先上锁 } 开锁原语算法 unlock 输入：锁变量w 输出：无 { w=0; //开锁 } 2．同步问题 同步问题：当各进程的执行具有一定先后顺序的限制时，称为 同步问题。 同步与互斥的比较： 2．同步问题 解决同步问题的信号量为私有信号量，局限于需要同步的协作进程之间使用。协作进程之间的关联属于直接关联。 互斥可以看成是同步的一种特殊情况，广义上的同步包含了互斥在内，我们将两者统称为进程的同步问题。广义上的同步可以定义为各进程之间在执行时间上所加的某种约束，如果这种约束是因为共享临界资源，而且约束的方式是异步的则为互斥约束；否则就是同步约束。 2．同步问题 协作进程之间一般有以下几种不同的同步问题： 前驱与后继同步问题 单缓冲与多缓冲读写同步问题 生产者消费者同步问题 3.3.4信号量及其P、V操作 信号量（信号灯） 信号量是一种数据结构 信号量的一般构成（s和q），二元组 信号量s值的含义（ s≥0? s0?） 信号量机制 使用信号量实现进程间的同步和互斥的机制，是操作系统提供的一种进程通信方式。 3.3.4信号量及其P、V操作 信号量总结： 信号量的值与相应资源的使用情况有关 信号量的初值设定 信号量的值仅由P、V操作来改变 PV操作 用来申请或释放信号量的操作，由系统提供的系统调用完成: P操作表示申请资源； V操作表示释放资源。 P、V操作用原语实现，不允许中断。 3.3.4信号量及其P、V操作 /*P操作原语——请求资源或条件*/ P（s） { s――； if（s＜0） { 保留调用进程的CPU现场； 将该进程插入s的等待队列； 置该进程为等待态; 转进程调度; } } 3.3.4信号量及其P、V操作 /*V操作原语——释放资源或条件*/ V（s） { s＋＋； if (s＜＝0) { 移出s等待队列中的第一个进程； 将该进程插入就绪队列； 置该进程为就绪态; } } 3.3.5用P、V操作实现进程同步与互斥 1．用P、V操作实现进程互斥 假设有i个临界资源提供给多个进程共享，对其实现互斥使用的方法为： ⑴．针对每一类临界资源设一个互斥信号量mutexi，若某类临界资源有n个，初值为n；如果只有一个或者抽象表示只能一个进程进入，则初值设为1。 ⑵．在每个进程中对涉及临界资源i的临界区做如下处理： P (mutexi) ； 临界区； V (mutexi)； 1．用P、V操作实现进程互斥 步骤： 寻找共享的临界资源；