第二部分进程管理

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1、进 程 的 同 步 第二章第二章 进程管理进程管理 2.1 2.1 进程的基本概念进程的基本概念 2.2 2.2 进程控制进程控制 2.3 2.3 进程同步进程同步 2.4 2.4 经典进程的同步问题经典进程的同步问题 2.5 2.5 管程机制管程机制萝商镭茁掘鳞幂霄懦土娘岗颤邱痒拥链梨仰褒旷鲸洽园梯辖孔瘦溃咳爱盘第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 上节回顾上节回顾1.四种信号量的比较2.生产者-消费者问题两私一公的典型，公用信号量与私用信号量公用信号量用于资源（变量）互斥，一般在同个过程中私用信号量用于进程控制，多交叉在不同过程中先私后公3.哲学家就餐问题：AND信号量壮泛攻

2、曹疯舟矛哎城党地佯盆柬呢锥觉撑眼者钳篡趣都傲截卓狡玖臀头促第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 1. 利用记录型信号量解决生产者利用记录型信号量解决生产者消费者问题消费者问题l具有n个缓冲区公用缓冲池中l互斥信号量mutex实现诸进程对缓冲池的互斥使用l信号量empty表示缓冲池中空缓冲区数量。l信号量full表示缓冲池中满缓冲区的数量。lmutex为公用信号量，full与empty与私用信号量l假定这些生产者和消费者相互等效，只要缓冲池未满，生产者便可将消息送入缓冲池；只要缓冲池未空，消费者便可从缓冲池中取走一个消息。避丽柠据患癣迂吸友甸离驾伤呈南精爹沿炯纤矛绪岂窘点犬多逊艰亥

3、峪挫第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 Var mutex, empty, full:semaphore=1,n,0; buffer:array0, , n-1 of item; in, out: integer=0, 0; begin parbegin proceducer:begin repeat producer an item nextp; wait(empty); wait(mutex); buffer(in)=nextp; in=(in+1) mod n; signal(mutex); signal(full); until false; end 襄鹤避杆猛赛碌瓜洽

4、斜古埂沏蔽铀绽毙阳献好歹囱吐原捶愉柳酒霉翱孺皮第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 consumer:begin repeat wait(full); wait(mutex); nextc =buffer(out); out =(out+1) mod n; signal(mutex); signal(empty); consumer the item in nextc; until false; end parend end 呕喳苛挞褪擦诲淮萧枯频垣凳姥弃闻涧炙龙舞尿铸英寸阻配决吕宽轩粘领第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2.4.3 读者读者-写者问题写者问题

5、1. 利用记录型信号量解决读者利用记录型信号量解决读者-写者问题写者问题l互斥信号量Wmutex：实现Reader与Writer进程的互斥l整型变量Readcount表示正在读的进程数目。l仅当Readcount=0, 表示尚无Reader进程在读时，Reader进程才需要执行wait(Wmutex)操作。若wait(Wmutex)操作成功，Reader进程便可去读，相应地，做Readcount+1操作。l仅当Reader进程在执行了Readcount减1操作后其值为0时，才须执行signal(Wmutex)操作，以便让Writer进程写。l因为Readcount是一个可被多个Reader进程

6、访问的临界资源，因此，应该为它设置一个互斥信号量rmutex。 诉按晤项第碘滚宫嫁砰昆叭禽驰淀丫帘嫉蚌隘变晴祥程氢群枢扣韶全委丝第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 读者-写者问题可描述如下：Var rmutex, wmutex:semaphore =1,1; Readcount:integer =0; begin parbegin READER:begin repeat wait(rmutex); if readcount=0 then wait(wmutex); Readcount =Readcount+1; signal(rmutex); perform read oper

7、ation; 享骇娶辞逝歪禄深期鄙吩淑吾魄霍矿惫贮蘑抑浅裙珍睹蛛骗垂捶兑击零磋第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 wait(rmutex); readcount =readcount-1; if readcount=0 then signal(wmutex); signal(rmutex); until false; end WRITER:begin repeat wait(wmutex); perform write operation; signal(wmutex); until false; end parend end 醉蚀嫁加翁隐掌笑糯列焦伍典旋贴刁绸酣产苯拢哭垃肩谭

8、糠黑铃大操牙许第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2. 利用信号量集机制解决读者利用信号量集机制解决读者-写者问题写者问题 l增加限制，最多允许RN个读者读l信号量L，初值RN，用于控制读者数目l在第RN+1个读者要进入读时，会引起阻塞l使用Swait(S, 1, 0)的方法实现开关作用近渊村自懂本荧劲困和捧韧涝植邮颅钢忌付升鬼倡偏瑶摩烽怖菏臼首雾虽第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 Var RN integer; L, mx:semaphore =RN,1; begin parbegin READER:begin repeat Swait(L,1,1); Sw

9、ait(mx,1,0); perform read operation; Ssignal(L,1); until false; end纠仪扑穴柳端恋这鸦几醛笼通姓缺杂惭厅匠注镭格硅讣琉潍盖夜郁宋始鹿第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 WRITER:begin repeat Swait(mx,1,1; L,RN,0); perform write operation; Ssignal(mx,1); until false; end parend end 缩纯哮胁良瑰行越它暑衡豺惑查匹干疵拎耙缸湖疥匆神帕雨刁慢逊镑遥扰第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2.5 管管

10、 程程 机机 制制 溉呐仙踞昏汤粤券香式轿吨曳允垒潍鹏囤拎更入专冷董爹涌碳存壶旁镊恨第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 管程的基本概念管程的基本概念 管程由三部分组成： 局部于管程的共享变量说明； 对该数据结构进行操作的一组过程； 对局部于管程的数据设置初始值的语句。此外，还须为管程赋予一个名字。 渍希贰瞳拟嗽猫淡酬纪问拦吻鞠缔骡牧愁宅债戈小戎罕掀洛褥釉酚洪啥逐第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 过碑捉跟寻糊善蚀恫替蜂充劣善野谬宣乌奴吠感铀碰躁鹰人亩室跃怂熟翅第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2.6 进进 程程 通通 信信 信号量适合同步控制，

11、信号量适合同步控制， 不适宜作为通信工具。不适宜作为通信工具。因此需要高级进程通信方式。因此需要高级进程通信方式。真御伪蓉袜患着畴抽柬拥仗池回卞圃注钻稚批尝老空乎送脂冉凿先寻樱啤第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2.6.1 高级进程通信的类型高级进程通信的类型 高级通信的定义：高级通信的定义：P54 寸畸粮修该万兴吃侥哉嗡蔗春闭悄拨虑寇航檬示痈钎粤浇蜒础罐匈爷腹仇第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2.6.1 进程通信的类型进程通信的类型 1. 共享存储器系统共享存储器系统(Shared-Memory System) (1)基于共享数据结构的通信方式。 例如生

12、产者-消费者问题中的缓冲池。该方式增加程序员负担，OS只须提供共享空间，低效，只能传递少量数据。(2) 基于共享存储区的通信方式。 例如Windows的DDE歼榔彩护蕴邮漆处踞富旁仗舵羞辆古攻征尚霍膘绒挫船秒弦察荤贴箍哨亲第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 DDEDDE技术通信原理技术通信原理动态数据交换动态数据交换(Dynamic Data Exchange,DDE)(Dynamic Data Exchange,DDE)是一种进程间通信形式。是一种进程间通信形式。两个同时运行的程序间通过两个同时运行的程序间通过DDEDDE方式交换数据时是客户方式交换数据时是客户/ /服务器关

13、系，一旦服务器关系，一旦客户和服务器建立起来连接关系，则当服务器中的数据发生变化后就会马客户和服务器建立起来连接关系，则当服务器中的数据发生变化后就会马上通知客户。通过上通知客户。通过DDEDDE方式建立的数据连接通道是双向的，即客户不但能方式建立的数据连接通道是双向的，即客户不但能够读取服务器中的数据，而且可以对其进行修改。够读取服务器中的数据，而且可以对其进行修改。剐赶统莉揽虹栈韭赦忿拟绞纬封狐呵福镭勤考绝村旁惺求锁六灿惰驮板壬第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 诧捧诣微剪回勤哟剧茨焕赘拄溜茵惠解算镑琼脆仍释终矣陡榷朵液拯谨锻第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同

14、步 2. 消息传递系统消息传递系统(Message passing system) 不论是单机系统、多机系统，还是计算机网络，消息传递机制都是用得最广泛的一种进程间通信的机制。1、在消息传递系统中，进程间的数据交换，是以格式化的消息(message)为单位（在计算机网络中，又把message称为报文）2、程序员直接利用系统提供的一组通信命令(原语)进行通信。 操作系统隐藏了通信的实现细节，大大减化了通信程序编制的复杂性，而获得广泛的应用。消息传递系统的通信方式属于高级通信方式。又因其实现方式的不同而进一步分成直接通信方式和间接通信方式两种。 擒呼詹匪方嘿躺认阵挚圣豹披益字贸寞郑辅揉戒布终浊噬蔡

15、疹显前禁教伦第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 3. 管道管道(Pipe)通信通信 所谓“管道”，是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现他们之间通信的一个共享文件，又名pipe文件。向管道(共享文件)提供输入的发送进程(即写进程)， 以字符流形式将大量的数据送入管道；而接受管道输出的接收进程(即读进程)，则从管道中接收(读)数据。由于发送进程和接收进程是利用管道进行通信的，故又称为管道通信。这种方式首创于UNIX系统，由于它能有效地传送大量数据，因而又被引入到许多其它操作系统中。 学持伦火杭柞昼谍秩舱泞光厩沥娃紧合迈氯蜘党皋疡起泵遵况表信甫倒促第二部分进程管理第二部分进程管理

16、进 程 的 同 步 知送环恼慢懒胸蚁沿懊噬寐罗敞孵蒸弛嚏订齐沂燎绵岸佩冈硅昭瓤败渡咀第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 为了协调双方的通信，管道机制必须提供以下三方面的协调能力： 互斥，即当一个进程正在对pipe执行读/写操作时，其它(另一)进程必须等待。 同步，指当写(输入)进程把一定数量(如4 KB)的数据写入pipe，便去睡眠等待， 直到读(输出)进程取走数据后，再把他唤醒。当读进程读一空pipe时，也应睡眠等待，直至写进程将数据写入管道后，才将之唤醒。 确定对方是否存在，只有确定了对方已存在时，才能进行通信。 币撼营芥钡亩专译神磐逝煽瞬叼厨扇瞅葵理缴客模恒囊碌准郁暂御你

17、治湿第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 屎哆嗓师胺裴眼队锐念钮伦挤痰厘衅来匣凸碉空良他嘶蛋秧还帝胸狡剿苫第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2.6.2 消息传递通信的实现方法消息传递通信的实现方法 1. 直接通信方式直接通信方式 这是指发送进程利用OS所提供的发送命令，直接把消息发送给目标进程。此时，要求发送进程和接收进程都以显式方式提供对方的标识符。迁淡条匡墨吵亿颤售框站懦皱程慧脉腥涟婆姓询祥秀魏釉绷搓痘批饵绪捧第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 通常，系统提供下述两条通信命令(原语)： Send(Receiver, message); 发送一

18、个消息给接收进程； Receive(Sender, message); 接收Sender发来的消息；例如原语Send(P2, m1)：表示将消息m1发送给接收进程P2; 原语Receive(P1，m1)：表示接收由P1发来的消息m1。 杀舅孵阑蓄标盆扛朱擎黔悉寒融葛亡若弟骄滁佃呕团侮器阿诫夹坷袱浑产第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 在某些情况下，接收进程可与多个发送进程通信，因此，它不可能事先指定发送进程。例如，用于提供打印服务的进程，它可以接收来自任何一个进程的“打印请求”消息。对于这样的应用，在接收进程接收消息的原语中的源进程参数，是完成通信后的返回值，接收原语可表示为：

19、 Receive (id, message); 抄遁辱暂腾软茄或筐奔唁骑栖湖搐肆素岗躬鹅懊诲沸则怖缮烷疵瓶除啮培第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 利用直接通信原语解决生产者-消费者问题。当生产者生产出一个产品(消息)后，便用Send原语将消息发送给消费者进程；而消费者进程则利用Receive原语来得到一个消息。如果消息尚未生产出来，消费者必须等待，直至生产者进程将消息发送过来。生产者-消费者的通信过程可分别描述如下： repeat produce an item in nextp; send(consumer, nextp); until false; repeat rece

20、ive(producer, nextc); consume the item in nextc; until false; 愿逮监杉烁和鲤搔膛贞抗洒蔑蝉鞍华眼轩亏颇肆拖能帚耍韩昼惠沙耐孺貉第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2. 间接通信方式间接通信方式 毡伸扁孰阎偿墨鲤恿羹硬旦桨怀卡晰车评桩漱就黄识涤梧呛藕设痹麦刻跨第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 间接通信的原语间接通信的原语 (1) 信箱的创建和撤消。进程可利用信箱创建原语来建立一个新信箱：Create (mailbox)创建者进程应给出信箱名字、信箱属性(公用、私用或共享)；对于共享信箱， 还应给出共享

21、者的名字。当进程不再需要读信箱时，可用信箱撤消原语将之撤消。Delete (mailbox) 挟纸譬义说扇枣联辫龄孟漓请皇岁酋骋切侯纵疡墙纱医绰衍编航贪惕锨滨第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2. 间接通信方式间接通信方式 (2) 消息的发送和接收。当进程之间要利用信箱进行通信时，必须使用共享信箱，并利用系统提供的下述通信原语进行通信。 Send(mailbox, message); 将一个消息发送到指定信箱； Receive(mailbox, message); 从指定信箱中接收一个消息； 涉侥跌汛乡榆垣杜政嚼怔移杭溪档尤嗅琐彝恫妮壹宪口熬鸯炽粥御答垫持第二部分进程管理第二

22、部分进程管理进 程 的 同 步 信箱可由操作系统创建，也可由用户进程创建，创建者是信箱的拥有者。据此，可把信箱分为以下三类。 1) 私用信箱 用户进程可为自己建立一个新信箱，并作为该进程的一部分。信箱的拥有者有权从信箱中读取消息，其他用户则只能将自己构成的消息发送到该信箱中。这种私用信箱可采用单向通信链路的信箱来实现。 当拥有该信箱的进程结束时，信箱也随之消失。 彝卸粮奶旬屑粗溶颖稠卡将汀兵揪遍苹谰寻惰忻柱舆凭轿整珊逢滇蒙缸逞第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2) 公用信箱 它由操作系统创建，并提供给系统中的所有核准进程使用。核准进程既可把消息发送到该信箱中，也可从信箱中读取

23、发送给自己的消息。显然，公用信箱应采用双向通信链路的信箱来实现。通常，公用信箱在系统运行期间始终存在。 3) 共享信箱 它由某进程创建，在创建时或创建后，指明它是可共享的，同时须指出共享进程(用户)的名字。信箱的拥有者和共享者，都有权从信箱中取走发送给自己的消息。 长皖导绣袄埃雌恭龄囚鲸导窜翻舒诺菏佯真钉说纸函舒律淄壮盯允绦催补第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 在利用信箱通信时，在发送进程和接收进程之间，存在以下四种关系： (1) 一对一关系。这时可为发送进程和接收进程建立一条两者专用的通信链路，使两者之间的交互不受其他进程的干扰。 (2) 多对一关系。允许提供服务的进程与多

24、个用户进程之间进行交互，也称为客户/服务器交互(client/server interaction)。 (3) 一对多关系。允许一个发送进程与多个接收进程进行交互，使发送进程可用广播方式，向接收者(多个)发送消息。 (4) 多对多关系。允许建立一个公用信箱，让多个进程都能向信箱中投递消息；也可从信箱中取走属于自己的消息。 详吾颇碘耪府搭柄质朔庭功活障斑闸垛耐魁法患丈啊渊狸胚组溺柒挎凛梭第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2.6.3 消息传递系统实现中的若干问题消息传递系统实现中的若干问题 1. 通信链路通信链路(communication link) 为使在发送进程和接收进程之

25、间能进行通信，必须在两者之间建立一条通信链路。有两种方式建立通信链路。第一种方式是：由发送进程在通信之前，用显式的“建立连接”命令(原语)请求系统为之建立一条通信链路；在链路使用完后，也用显式方式拆除链路。 这种方式主要用于计算机网络中。第二种方式是发送进程无须明确提出建立链路的请求，只须利用系统提供的发送命令(原语)，系统会自动地为之建立一条链路。这种方式主要用于单机系统中。 沙浊荚掐嘿账踌不择撤倒奥惰遭撬赊颧徐蓖务褂琅咬社色胸扑兔钝涸神漓第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 根据通信链路的连接方法，又可把通信链路分为两类： 点点连接通信链路，这时的一条链路只连接两个结点(进程

26、)； 多点连接链路，指用一条链路连接多个(n2)结点(进程)。根据通信方式的不同，则又可把链路分成两种： 单向通信链路，只允许发送进程向接收进程发送消息； 双向链路，既允许由进程A向进程B发送消息，也允许进程B同时向进程A发送消息。 旨绚案故扯百衍毛幢蓖嗓朝忌汕傅姑蒂磷岗推颐目廉脑诞了续而丰讨阮柜第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2. 消息的格式消息的格式 在某些OS中，消息是采用比较短的定长消息格式，这减少了对消息的处理和存储开销。这种方式可用于办公自动化系统中，为用户提供快速的便笺式通信；但这对要发送较长消息的用户是不方便的。 在有的OS中，采用另一种变长的消息格式，即进

27、程所发送消息的长度是可变的。系统在处理和存储变长消息时，须付出更多的开销，但方便了用户。 这两种消息格式各有其优缺点，故在很多系统(包括计算机网络)中，是同时都用的。 拜路个有凛枪拈瘫冤户祥瞥列坑员膝颠茧撕蕉壶卑仅郎钟室漂捕澈锈穆雀第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 3. 进程同步方式进程同步方式 (1)发送进程阻塞、 接收进程阻塞。(2) 发送进程不阻塞、 接收进程阻塞。 (3) 发送进程和接收进程均不阻塞。 艺瘩柳密庭序推已雏泼墓谬签糖螺迢介缄显驻保闲酱冕兰日戏唾箔毫辅丢第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2.6.4 消息缓冲队列通信机制消息缓冲队列通信机制

28、 1. 消息缓冲队列通信机制中的数据结构消息缓冲队列通信机制中的数据结构 (1) 消息缓冲区。在消息缓冲队列通信方式中，主要利用的数据结构是消息缓冲区。它可描述如下：type message buffer=record sender; 发送者进程标识符 size; 消息长度 text; 消息正文 next; 指向下一个消息缓冲区的指针 end 锦劈敞驮紫嘉摸膳龋鞍悲穿便剔卉邀疫妒恃强痞枪愿揣皿筒病膊纤张鲸豪第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 (2) PCB中有关通信的数据项。在利用消息缓冲队列通信机制时，在设置消息缓冲队列的同时，还应增加用于对消息队列进行操作和实现同步的信号量

29、，并将它们置入进程 的 PCB中 。 在 PCB中 应 增 加 的 数 据 项 可 描 述 如 下 ： type processcontrol block=record mq; 消息队列队首指针 mutex; 消息队列互斥信号量 sm; 消息队列资源信号量 end 搪身殉桐玲驱乞蛾寝肚榆羽驱实浅治戏普燃菇缔闻扩撒划香则璃秒葛叛姆第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 2. 发送原语发送原语 发送进程在利用发送原语发送消息之前，应先在自己的内存空间，设置一发送区a，见图 2 - 12 所示，把待发送的消息正文、发送进程标识符、消息长度等信息填入其中，然后调用发送原语，把消息发送给目标

30、(接收)进程。1、根据发送区a中所设置的消息长度a.size来申请一缓冲区i，2、把发送区a中的信息复制到缓冲区i中。3、获得接收进程的内部标识符j，然后将i挂在j.mq上。该队列属于临界资源， 故执行insert操作的前后，都要执行P、V操作。 瞳房稼督礼焊有裂捐帐抗器形愁财诬笛式蛹青淄沪瘸伏俱瞄铅淹呕念牧耿第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 图 2 - 12 消息缓冲通信 驰趁熏颧豆迈盅假极旅浴博吮乌伍盾汉筑搭捣城瓤区模主娜玉穿脾诉尽寂第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 procedure send(receiver, a) begin getbuf(a.s

31、ize,i); 根据a.size申请缓冲区； i.sender =a.sender; 将发送区a中的信息复制到消息缓冲区之中； i.size =a.size; i.text =a.text; i.next =0; getid(PCB set, receiver.j); 获得接收进程内部标识符； wait(j.mutex); insert(j.mq, i); 将消息缓冲区插入消息队列； signal(j.mutex); signal(j.sm); end 达赦啪耐状恍挎苗舒绅烘吻扼俩堤莹吹搁豁棉昆赁琴祟涅鬃舅得扯胚忧揭第二部分进程管理第二部分进程管理进 程 的 同 步 3. 接收原语接收原语 接收原语描述如下：procedure receive(b) begin j =internal name; j为接收进程内部的标识符； wait(j.sm); wait(j.mutex); remove(j.mq, i); 将消息队列中第一个消息移出； signal(j.mutex); b.sender =i.sender; 将消息缓冲区i中的信息复制到接收区b; b.size =i.size; b.text =i.text; end 匠辣匿硫糊链缉姓焚拼潞梯仇帅豁巍迢寂沸检铆侥兵昌傈禄循波妈尺蹦撬第二部分进程管理第二部分进程管理