进程同步的几种机制
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木木情深 发表于4年前
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摘要: 多进程的系统中避免不了进程间的相互关系。本讲将介绍进程间的两种主要关系——同步与互斥,然后着重讲解解决进程同步的几种机制。

多进程的系统中避免不了进程间的相互关系。本讲将介绍进程间的两种主要关系——同步与互斥,然后着重讲解解决进程同步的几种机制。 
      进程互斥是进程之间发生的一种间接性作用,一般是程序不希望的。通常的情况是两个或两个以上的进程需要同时访问某个共享变量。我们一般将发生能够共享变量的程序段称为临界区。两个进程不能同时进入临界区,否则就会导致数据的不一致,产生与时间有关的错误。解决互斥问题应该满足互斥和公平两个原则,即任意时刻只能允许一个进程处于同一共享变量的临界区,而且不能让任一进程无限期地等待。互斥问题可以用硬件方法解决,我们不作展开;也可以用软件方法,这将会在本讲详细介绍。 
      进程同步是进程之间直接的相互作用,是合作进程间有意识的行为,典型的例子是公共汽车上司机与售票员的合作。只有当售票员关门之后司机才能启动车辆,只有司机停车之后售票员才能开车门。司机和售票员的行动需要一定的协调。同样地,两个进程之间有时也有这样的依赖关系,因此我们也要有一定的同步机制保证它们的执行次序。 
本讲主要介绍以下四种同步和互斥机制:号量、管程、会合、分布式系统。

一,信号量

参考自http://blog.csdn.net/leves1989/article/details/3305609

理解PV:

PV操作由P操作原语和V操作原语组成(原语是不可中断的过程),对信号量进行操作,具体定义如下:
    P(S):①将信号量S的值减1,即S=S-1;
           ②如果S³0,则该进程继续执行;否则该进程置为等待状态,排入等待队列。
    V(S):①将信号量S的值加1,即S=S+1;
           ②如果S>0,则该进程继续执行;否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
PV操作的意义
:我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

什么是信号量?信号量(semaphore)的数据结构为一个值和一个指针,指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时,表示当前可用资源的数量;当它的值小于0时,其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意,信号量的值仅能由PV操作来改变。
     一般来说,信号量S³0时,S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源,因此S的值减1;当S<0时,表示已经没有可用资源,请求者必须等待别的进程释放该类资源,它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源,因此S的值加1;若S£0,表示有某些进程正在等待该资源,因此要唤醒一个等待状态的进程,使之运行下去。

利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是:
进程P1              进程P2           ……          进程Pn
……                  ……                           ……
P(S);              P(S);                         P(S);

临界区;             临界区;                        临界区;
V(S);              V(S);                        V(S);
……                  ……            ……           ……

    其中信号量S用于互斥,初值为1。
    使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是:
    (1)每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现,先做P操作,进临界区,后做V操作,出临界区。若有多个分支,要认真检查其成对性。
    (2)P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部,临界区的代码应尽可能短,不能有死循环。
   (3)互斥信号量的初值一般为1。

利用信号量和PV操作实现进程同步
PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来,当信号量的值为0时,表示期望的消息尚未产生;当信号量的值非0时,表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时,调用P操作测试消息是否到达,调用V操作发送消息。
    使用PV操作实现进程同步时应该注意的是:

    (1)分析进程间的制约关系,确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下,哪个进程先执行,哪些进程后执行,彼此间通过什么资源(信号量)进行协调,从而明确要设置哪些信号量。
    
(2)信号量的初值与相应资源的数量有关,也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。
    
(3)同一信号量的P、V操作要成对出现,但它们分别在不同的进程代码中。

二,管程:参考自http://hi.baidu.com/zucenaa/blog/item/e63d22277c9d9c09918f9de2.html

信号量机制功能强大,但使用时对信号量的操作分散,而且难以控制,读写和维护都很困难。因此后来又提出了一种集中式同步进程——管程。其基本思想是将共享变量和对它们的操作集中在一个模块中,操作系统或并发程序就由这样的模块构成。这样模块之间联系清晰,便于维护和修改,易于保证正确性。

管程作为一个模块,它的类型定义如下: 
monitor_name = MoNITOR; 
共享变量说明; 
define 本管程内部定义、外部可调用的函数名表; 
use 本管程外部定义、内部可调用的函数名表; 
内部定义的函数说明和函数体 

共享变量初始化语句; 
}

 

从语言的角度看,管程主要有以下特性: 
(1)模块化。管程是一个基本程序单位,可以单独编译; 
(2)抽象数据类型。管程是中不仅有数据,而且有对数据的操作; 
(3)信息掩蔽。管程外可以调用管程内部定义的一些函数,但函数的具体实现外部不可见; 

对于管程中定义的共享变量的所有操作都局限在管程中,外部只能通过调用管程的某些函数来间接访问这些变量。因此管程有很好的封装性。 
为了保证共享变量的数据一致性,管程应互斥使用。 管程通常是用于管理资源的,因此管程中有进程等待队列和相应的等待和唤醒操作。在管程入口有一个等待队列,称为入口等待队列。当一个已进入管程的进程等待时,就释放管程的互斥使用权;当已进入管程的一个进程唤醒另一个进程时,两者必须有一个退出或停止使用管程。在管程内部,由于执行唤醒操作,可能存在多个等待进程(等待使用管程),称为紧急等待队列,它的优先级高于入口等待队列。 
因此,一个进程进入管程之前要先申请,一般由管程提供一个enter过程;离开时释放使用权,如果紧急等待队列不空,则唤醒第一个等待者,一般也由管程提供外部过程leave。 
管程内部有自己的等待机制。管程可以说明一种特殊的条件型变量:var c:condition;实际上是一个指针,指向一个等待该条件的PCB队列。对条件型变量可执行wait和signal操作:(联系P和V; take和give) 
wait(c):若紧急等待队列不空,唤醒第一个等待者,否则释放管程使用权。执行本操作的进程进入C队列尾部; 
signal(c):若C队列为空,继续原进程,否则唤醒队列第一个等待者,自己进入紧急等待队列尾部。


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