操作系统精髓与设计原理（四）——并发性：互斥和同步

文章目录

• • 并发的原理
  • • 进程间的资源竞争
    • 进程间通过共享合作
    • 进程间通过通信合作
    • 互斥的要求
  • 互斥：硬件的支持
  • • 中断禁用
    • 专用机器指令
    • 信号量
    • 互斥
    • 生产者消费者问题
  • 管程
  • 消息传递

并发的原理

在单处理多道程序设计系统中，进程交替执行，表现出一种同时执行的外部特征。在多处理器系统中，不仅可以交替执行进程，而且可以重叠执行进程。

进程间的资源竞争

程序的资源临界区，使用一个不可共享的资源的程序。
互斥的要求，资源分配一给一个进程，其他进程不能获取。
死锁，两个进程相互等待对方拥有的资源，造成无限等待。
饥饿，一个进程无限期被拒绝访问资源。

进程间通过共享合作

进程间通过通信合作

通信提供了同步和协调各种活动的方法。
不需要互斥。

互斥的要求

1. 必须强制实施互斥，在与相同资源或共享对象的临界区有关的所有进程中，一次只允许一个进程进入临界区。
2. 在非临界区停止的进程不能干涉其他进程。
3. 不允许需要访问临界区的经常被无限延迟。
4. 没有进程在临界区时，任何需要进入的进程可以立即进入。

互斥：硬件的支持

中断禁用

临界区不能被中断，所以可以保证互斥。但是会降低程序的执行效率。在多处理器系统中，禁用中断是不能保证互斥的。

专用机器指令

提出机器指令，保证两个动作的原子性。

信号量

定义：用于进程间传递信号的一个整数值。只有三种操作：初始化、递减和增加。都是原子操作。递减用于阻塞进程，增加用于接触阻塞。
基本原理：两个或多个进程可以通过简单的信号进行合作，一个进程可以被迫在某一位置停止，直到它接收到一个特定的信号。

1. 信号量初始化为非负数；
2. semWait操作使信号减一，如果变成负数，则执行semWait的进程被阻塞，否则进程继续执行；
3. semSignal操作使信号量加一，如果值大于等于零，则被semWait操作阻塞的进程被解除阻塞。
   负值等于正在解除阻塞的进程数量。

互斥

通过信号量来解决互斥问题的方法。每个进程中进入临界区前执行semWait如果s为负数，则进程被挂起，如果值为1，则s被减为0，进程立即进入临界区，由于s不再为正，其他进程都无法进入临界区。

生产者消费者问题

管程

管程是一个而程序设计语言结构，它提供了与信号量同样的功能，但更易于控制。
管程是由一个或多个过程、一个初始化序列和局部数据组成的软件模块，特点：

• 局部变量只能被管程访问，任何外部过程都不能访问。
• 一个进程通过调用管程的一个过程进入管程。
• 只能由一个进程进入管程中执行，其他调用管程的进程都被阻塞。

消息传递

进程交互必须满足同步和通信。为了实施互斥，进程必须同步。为了合作，进程必须进程交换数据。