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详解进程同步与互斥机制

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详解进程同步与互斥机制⽬录⼀、什么是进程同步⼆、什么是进程互斥三、常见的进程同步与互斥机制

⼀、什么是进程同步

在多道批处理系统中，多个进程是可以并发执⾏的，但由于系统的资源有限，进程的执⾏不是⼀贯到底的， ⽽是⾛⾛停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

那么，进程的异步性会带来什么问题呢？举个例⼦，如果有 A、B 两个进程分别负责读和写数据的操作，这两个线程是相互合作、相互依赖的。那么写数据应该发⽣在读数据之前。⽽实际上，由于异步性的存在，可能会发⽣先读后写的情况，⽽此时由于缓冲区还没有被写⼊数据，读进程 A 没有数据可读，因此读进程 A 被阻塞。

进程同步（synchronization）就是⽤来解决这个问题的。从上⾯的例⼦我们能看出，⼀个进程的执⾏可能影响到另⼀个进程的执⾏，所谓进程同步就是指协调这些完成某个共同任务的并发线程，在某些位置上指定线程的先后执⾏次序、传递信号或消息。

再举个⽣活中的进程同步的例⼦，你想要喝热⽔，于是你打了⼀壶⽔开始烧，在这壶⽔烧开之前，你只能⼀直等着，⽔烧开之后⽔壶⾃然会发⽣响声提醒你来喝⽔，于是你就可以喝⽔了。就是说⽔烧开这个事情必须发⽣在你喝⽔之前。注意不要把进程同步和进程调度搞混了：

进程调度是为了最⼤程度的利⽤ CPU 资源，选⽤合适的算法调度就绪队列中的进程。进程同步是为了协调⼀些进程以完成某个任务，⽐如读和写，你肯定先写后读，不能先读后写吧，这就是进程同步做的事情了，指定这些进程的先后执⾏次序使得某个任务能够顺利完成。

⼆、什么是进程互斥

同样的，也是因为进程的并发性，并发执⾏的线程不可避免地需要共享⼀些系统资源，⽐如内存、打印机、摄像头等。举个例⼦：我们去学校打印店打印论⽂，你按下了 WPS 的 “打印” 选项，于是打印机开始⼯作。 你的论⽂打印到⼀半时，另⼀位同学按下了 Word 的 “打印” 按钮，开始打印他⾃⼰的论⽂。想象⼀下如果两个进程可以随意的、并发的共享打印机资源，会发⽣什么情况？

显然，两个进程并发运⾏，导致打印机设备交替的收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论⽂的内容混杂在⼀起了。

进程互斥（mutual exclusion）就是⽤来解决这个问题的。当某个进程 A 在访问打印机时，如果另⼀个进程 B 也想要访问打印机，它就必须等待，直到 A 进程访问结束并释放打印机资源后，B 进程才能去访问。

实际上，像上述的打印机这种在⼀个时间段内只允许⼀个进程使⽤的资源（这也就是互斥的意思），我们将其称为临界资源，对临界资源进⾏访问的那段代码称为临界区。通俗的对⽐⼀下进程互斥和进程同步：

进程同步：进程 A 应在进程 B 之前执⾏进程互斥：进程 A 和进程 B 不能在同⼀时刻执⾏

从上不难看出，进程互斥是⼀种特殊的进程同步，即逐次使⽤临界资源，也是对进程使⽤资源的先后执⾏次序的⼀种协调。

三、常见的进程同步与互斥机制常见的进程同步与互斥机制有两种：

信号量与 PV 操作管程① 信号量与 PV 操作

包交包会！看完下⾯这段解释你绝对能够明⽩ PV 操作是啥。1965年，荷兰学者 Dijkstra 提出了⼀种卓有成效的实现进程同步和互斥的⽅法 — 信号量机制（Semaphore）。信号量其实就是⼀个变量 ，我们可以⽤⼀个信号量来表⽰系统中某种资源的数量，⽐如：系统中只有⼀台打印机，就可以设置⼀个初值为 1 的信号量。

⽤户进程可以通过使⽤操作系统提供的⼀对原语来对信号量进⾏操作，从⽽很⽅便的实现进程互斥或同步。这⼀对原语就是 PV 操作：1）P 操作：将信号量值减 1，表⽰申请占⽤⼀个资源。如果结果⼩于 0，表⽰已经没有可⽤资源，则执⾏ P 操作的进程被阻塞。如果结果⼤于等于 0，表⽰现有的资源⾜够你使⽤，则执⾏ P 操作的进程继续执⾏。

可以这么理解，当信号量的值为 2 的时候，表⽰有 2 个资源可以使⽤，当信号量的值为 -2 的时候，表⽰有两个进程正在等待使⽤这个资源。不看这句话真的⽆法理解 V 操作，看完顿时如梦初醒。2）V 操作：将信号量值加 1，表⽰释放⼀个资源，即使⽤完资源后归还资源。若加完后信号量的值⼩于等于 0，表⽰有某些进程正在等待该资源，由于我们已经释放出⼀个资源了，因此需要唤醒⼀个等待使⽤该资源（就绪态）的进程，使之运⾏下去。

我觉得已经讲的⾜够通俗了，不过对于 V 操作⼤家可能仍然有困惑，下⾯再来看两个关于 V 操作的问答：

问：信号量的值 ⼤于 0 表⽰有临界资源可供使⽤，这个时候为什么不需要唤醒进程？

答：所谓唤醒进程是从就绪队列（阻塞队列）中唤醒进程，⽽信号量的值⼤于 0 表⽰有临界资源可供使⽤，也就是说这个时候没有进程被阻塞在这个资源上，所以不需要唤醒，正常运⾏即可。

问：信号量的值 等于 0 的时候表⽰没有临界资源可供使⽤，为什么还要唤醒进程？

答：V 操作是先执⾏信号量值加 1 的，也就是说，把信号量的值加 1 后才变成了 0，在此之前，信号量的值是 -1，即有⼀个进程正在等待这个临界资源，我们需要唤醒它。

信号量和 PV 操作具体的定义如下：

实现进程互斥两步⾛即可实现进程的互斥：

定义⼀个互斥信号量，并初始化为 1把对于临界资源的访问置于 P 操作和 V 操作之间

P 操作和 V 操作必须成对出现。缺少 P 操作就不能保证对临界资源的互斥访问，缺少 V 操作就会导致临界资源永远得不到释放、处于等待态的进程永远得不到唤醒。

实现进程同步

回顾⼀下进程同步，就是要各并发进程按要求有序地运⾏。

举个例⼦，以下两个进程 P1、P2 并发执⾏，由于存在异步性，因此⼆者交替推进的次序是不确定的。假设 P2 的 “代码4” 要基于 P1 的 “代码1” 和 “代码2” 的运⾏结果才能执⾏，那么我们就必须保证 “代码4” ⼀定是在 “代码2” 之后才会执⾏。

如果 P2 的 “代码4” 要基于 P1 的 “代码1” 和 “代码2” 的运⾏结果才能执⾏，那么我们就必须保证 “代码4” ⼀定是在 “代码2” 之后才会执⾏。

使⽤信号量和 PV 操作实现进程的同步也⾮常⽅便，三步⾛：定义⼀个同步信号量，并初始化为当前可⽤资源的数量在优先级较⾼的操作的后⾯执⾏ V 操作，释放资源在优先级较低的操作的前⾯执⾏ P 操作，申请占⽤资源

配合下⾯这张图直观理解下：

⽣产者和消费者问题

下⾯我们利⽤信号量和 PV 操作来解决经典的进程同步和互斥问题：⽣产者和消费者问题。

【问题描述】：系统中有⼀组⽣产者进程和⼀组消费者进程，⽣产者进程每次⽣产⼀个产品放⼊缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出⼀个产品并使⽤。任何时刻，只能有⼀个⽣产者或消费者可以访问缓冲区。

由题可知，⽣产者、消费者共享⼀个初始为空、⼤⼩为 n 的缓冲区，我们从题⽬中提炼出同步与互斥关系：

同步关系 1：只有缓冲区没满时（优先级⾼），⽣产者才能把产品放⼊缓冲区（优先级低），否则必须等待同步关系 2：只有缓冲区不空时（优先级⾼），消费者才能从中取出产品（优先级低），否则必须等待互斥关系：缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。既然这个题⽬有两个同步关系和⼀个互斥关系，那么我们就需要两个同步信号量和⼀个互斥信号量：empty：同步信号量（对应同步关系 1），表⽰⽣产者还能⽣产多少，即还能放⼊缓冲区多少产品，该数量⼩于等于 0，则⽣产者不能进⾏⽣产。 初始化为 n。full：同步信号量（对应同步关系 2），表⽰消费者还能从缓冲区取出多少，即当前缓冲区已有产品的数量，该数量⼩于等于 0，则消费者不能进⾏读取。初始化为 0。mutex：互斥信号量，实现对缓冲区的互斥访问。初始化为 1。

代码如下，注意各个 PV 操作的配对：

② 管程

管程有⼀个重要特性：在⼀个时刻只能有⼀个进程使⽤管程。进程在⽆法继续执⾏的时候不能⼀直占⽤管程，否则其它进程将永远不能使⽤管程。也就是说管程天⽣⽀持进程互斥。

其实使⽤管程是能够实现信号量的，并且也能⽤信号量实现管程。但是管程封装的⽐较好，相⽐起信号量来需要我们编写的代码更少，更加易⽤，这也就是 Java 采⽤管程机制的原因，synchronized 关键字及 wait()、notify()、notifyAll() 这三个⽅法都是管程的组成部分。把管程翻译为 Java 领域的语⾔，就是管理类的成员变量和成员⽅法，让这个类是线程安全的。

以上就是详解进程同步与互斥机制的详细内容，更多关于进程同步与互斥机制的资料请关注其它相关⽂章！

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进程同步机制与互斥-生产者消费者问题

进程同步机制与互斥-生产者消费者问题

学习中心：

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年级：年春/秋季

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题目：进程同步与互斥生产者-消费者问题

1.谈谈你对本课程学习过程中的心得体会与建议？

转眼间，学习了一个学期的计算机操作系统课程即将结束。在这个学期中，通过老师的悉心教导，让我深切地体会到了计算机操作系统的一些原理和具体操作过程。在学习操作系统之前，我只是很肤浅地认为操作系统只是单纯地讲一些关于计算机方面的操作应用，并不了解其中的具体操作过程和实用性。通过这一学期的学习，我才知道操作系统(OperatingSystem，简称OS)是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。操作系统这门课程并不是教你如何使用操作系统的，而是讲操作。总而言之，操作系统的一些原理在生活中都可以找到相应的例子。结合生活中的例子，可以化抽象为具体，我们会更加清楚地了解到其原理与操作过程。我觉得通过我们的不断学习，结合生活中的实际问题，我们就会把操作系统学得更好。总体来说，通过这次的对操作系统的总结，有收获也有遗憾、不足的地方，但我想，我已经迈入了操作系统的大门，只要我再认真努力的去学习，去提高，肯定能让自己的知识能力更上一层楼.

1 设计思路及主要代码分析

1.1设计思路

在这次设计中定义的多个缓冲区不是环形循环的，并且不需要按序访问。其中生产者可以把产品放到某一个空缓冲区中，消费者只能消费被指定生产者生产的产品。本设计在测试用例文件中指定了所有生产和消费的需求，并规定当共享缓冲区的数据满足了所有有关它的消费需求后，此共享才可以作为空闲空间允许新的生产者使用。

本设计在为生产者分配缓冲区时各生产者之间必须互斥，此后各个生产者的具体生产活动可以并发。而消费者之间只有在对同一个产品进行消费时才需要互斥，它们在消费过程结束时需要判断该消费者对象是否已经消费完毕并释放缓冲区的空间。

实验、进程的同步与互斥——生产者消费者

实验、进程的同步与互斥——生产者消费者

实验、进程的同步与互斥——⽣产者消费者

1. 1. 实验⽬的

两个或两个以上的进程,不能同时进⼊关于同⼀组共享变量的临界区域,否则可能发⽣与时间有关的错误,这种现象被称作进程互斥。对CPU的

速度和数⽬不做出任何假设的前提下，并发进程互斥访问临界资源，是⼀个较好的解决⽅案。另外，还需要解决异步环境下的进程同步问

题。所谓异步环境是指：相互合作的⼀组并发进程，其中每⼀个进程都以各⾃独⽴的、不可预知的速度向前推进；但它们⼜需要密切合作，

以实现⼀个共同的任务，即彼此“知道”相互的存在和作⽤。

实验⽬的：分析进程争⽤资源的现象，学习解决进程同步与互斥的⽅法。

本实验属于设计型实验，实验者可根据⾃⾝情况选⽤合适的开发环境和程序架构。

1. 2. 实验原理

信号量的PV操作与处理相关，P表⽰通过的意思，V表⽰释放的意思。

1962年，狄克斯特拉离开数学中⼼进⼊位于荷兰南部的艾恩德霍芬技术⼤学(Eindhoven Technical University)任数学教授。在这⾥，他参加

了X8计算机的开发，设计与实现了具有多道程序运⾏能⼒的操作系统——THE Multiprogramming System。THE是艾恩德霍芬技术⼤学的荷

兰⽂Tchnische Hoogeschool Eindhov –en的词头缩写。狄克斯特拉在THE这个系统中所提出的⼀系统⽅法和技术奠定了计算机现代操作系

统的基础，尤其是关于多层体系结构，顺序进程之间的同步和互斥机制这样⼀些重要的思想和概念都是狄克斯特拉在THE中⾸先提出并为以

后的操作系统如UNIX等所采⽤的。

为了在单处理机的情况下确定进程(process)能否占有处理机，狄克斯特拉将每个进程分为“就绪”(ready)、“运⾏”(running)和“阻塞”(blocking)

三个⼯作状态。由于在任⼀时刻最多只有⼀个进程可以使⽤处理机，正占⽤着处理机的进程称为“运⾏”进程。当某进程已具备了使⽤处理机

的条件，⽽当前⼜没有处理机供其使⽤，则使该进程处于“就绪”状态。当运⾏进程由于某种原因⽆法继续运⾏下去时，就停⽌其占⽤处理

经典进程的同步与互斥

经典进程的同步与互斥

经典进程的同步与互斥

班级：11级软工2班 姓名：张弦 学号：09

如何用PV原语实现进程间的互斥与同步

PV原语的含义

P操作和V操作是不可中断的程序段，称为原语。PV原语及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的。信号量sem是一整数，sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。

P原语操作的动作是：

（1）sem减1；

（2）若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；

（3）若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。

V原语操作的动作是：

（1）sem加1；

（2）若相加结果大于零，则进程继续执行；

（3）若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。

用PV原语实现进程的互斥

由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem)之间，即可实现进程间的互斥。就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有旅客共享这个公有资源：卫生间，所以旅客间必须互斥进入卫生间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的效果。以下例子说明进程的互斥实现。

例1

生产围棋的工人不小心把相等数量的黑子和白子混装载一个箱子里，现要用自动分拣系统把黑子和白子分开，该系统由两个并发执行的进程组成，功能如下：

（1）进程A专门拣黑子，进程B专门拣白子；

（2）每个进程每次只拣一个子，当一个进程在拣子时不允许另一个进程去拣子；

分析：

第一步：确定进程间的关系。由功能（2）可知进程之间是互斥的关系。

PV原语实现进程的互斥和同步

PV原语实现进程的互斥和同步

进程的互斥和同步

进程同步：主要源于进程合作，是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。为进程之间的直接制约关系。在多道环境下，这种进程间在执行次序上的协调是必不可少的。如：相互合作的两个进程之间需要在某些确定点协调它们的工作，一个进程到达了该点后，除非另一进程已经完成了某些操作，否则就不得不停下来，等待这些操作的完成。这就是进程间的同步。

进程互斥：主要源于资源共享，是进程之间的间接制约关系。在多道系统中，两个进程由于不能同时使用同一临界资源，只能在一个进程使用完了，另一进程才能使用，这种现象称为进程间的互斥。

同步的主要特征是：一个进程在某一点上等待另一进程提供信息，两进程之间存在直接制约关系，其表现形式为进程—进程。

互斥的主要特征是争用资源，两进程间存在间接制约关系，其表现形式是进程—资源—进程

设备同步：概括来讲，就是有两个数据源，最初它们的数据都是一样的。若一个数据源的数据经过添加、修改、删除等操作发生了改变，那么为了使两个数据源的数据保持一致，即让一个数据源数据的改变反映到另一个上，就必须进行一个让两个数据源的数据保持一致的操作，这个操作就叫“同步”。同步操作结束之后，两个设备上的数据就完全一致了，处于“同步”状态。

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。

信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制， 包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作。

每个信号量至少须记录两个信息：信号量的值和等待该信号量的进程队列。

对一个信号量变量可以进行两种原语操作：p操作和v操作。

p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。如果将信号量看作共享变量，则pv操作为其临界区，多个进程不能同时执行。 由此也可以看到，信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。 一个信号量只能置一次初值，以后只能对之进行p操作或v操作。 其基本思路是用信号量（semaphore）来记录当前可用资源的数量。信号量sem是一整数，sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。