【操作系统】 管程机制

基本概念

在信号量机制中，每个要访问临界资源的进程都必须自备同步的PV操作，大量分散的同步操作会给系统管理带来麻烦，且容易因为同步操作不当而导致系统死锁。于是便产生了一种新的进程同步工具——管程（Monitors）。

管程（Monitors）：是一个资源管理模块，其中包含了共享资源的数据结构，以及由对该共享数据结构实施操作的一组过程（方法）所组成的资源管理程序。

管程中包含条件变量，用于管理进程的阻塞和唤醒。其形式为 condition x；对它的操作仅有wait和signal。

　　x.wait：正在调用管程的进程因 x 条件需要被阻塞或挂起，则调用 x.wait 将自己插入到 x 条件的等待队列上，并释放管程，直到 x 条件变化。此时其它进程可以使用该管程。

 　　x.signal：正在调用管程的进程发现 x 条件发生了变化，则调用 x.signal，重新启动一个因 x 条件而阻塞或挂起的进程。（与信号量的signal不同，没有s:=s+1的操作）

个人理解：

1. 管程相当于把对临界资源的操作封装了起来，当进程要对资源进行操作时，只要调用管程中的方法就可以了，而不用进程自己担心同步和互斥的问题，管程的内部有自己的一套机制进行同步与互斥。
2. 管程中每次只允许一个进程进入管程。
3. 当调用管程的进程因为某原因阻塞或者挂起时，把这个原因定义为一个条件变量x。
4. x.wait操作就是把自己放到一个队列上，这个队列上的进程都是因为x原因而阻塞的。
5. x.signal操作就是让在x阻塞队列上的一个进程重新启动。

相对形象的比喻：假如一个管程叫ATM（取款机），其包含两个方法：存款和取款，不同的人代表不同的进程，但是ATM只允许一个人在一个时间段中进行操作，当一个人在使用时，其他的人只能wait。此外，一个人如果使用的时间太长也不行，所以需要一个条件变量来约束他。

比如一个人在操作ATM时突然接电话了，没法继续操作，把这个原因记为x，执行x.wait，让他离开ATM机，去接电话的队列中等待。等到打完电话，即调用了x.signal后，他就可以继续操作ATM了（一般令正在操作ATM的人操作完后，他才能重新进去）。

实际应用：

 生产者-消费者问题

建立producer-consumer管程，其中包括两个方法：

1.put(x)：生产者利用该过程将自己生产的产品投放到缓冲池中，并用整型变量 count 来表示在缓冲池中已有的产品数目，当 count≥n 时，表示缓冲池已满，生产者须等待。

2.get(x)：消费者利用该过程从缓冲池中取出一个产品，当 count≤0 时，表示缓冲池中已无可取用的产品，消费者应等待。

两个条件变量：notfull和notempty，代表进程阻塞原因

producer-consumer管程的描述：

type producer-consumer=monitor
    Var in,out,count: integer；
        buffer: array[0, …, n-1] of item；
        notfull，notempty:condition；  //条件变量
        procedure entry put(item)
            begin
               if count>=n then notfull.wait；  //缓冲池已经满了，生产者需要等待（我觉得命名为full可能更好，代表原因；不过也可以理解为：等到notfull才继续执行）
                   buffer(in):=nextp；
                   in:=(in+1) mod n；
                   count:=count+1；
                   if notempty.queue then notempty.signal；  //唤醒一个在notempty队列中等待的进程
            end
        procedure entry get(item)
            begin
               if count<=0 then notempty.wait；
                   nextc:=buffer(out)；
                   out:=(out+1) mod n；
                   count:=count - 1；
               if notfull.quene then notfull.signal；
            end
      begin in:=out:=0；
count:=0
end

　

生产者-消费者的描述：

producer: begin
		repeat
			produce an item in nextp；
			PC.put(item)；
		until false；
	   end
consumer: begin
		repeat
			PC.get(item)；
			consume the item in nextc；
		until false；
	   end

　　

参考资料：《计算机操作系统（第三版）》（汤小丹等著）