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进程同步与互斥

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第三章进程管理4(同步和互斥1)

第三章进程管理4(同步和互斥1)


1
进 程 管 理
执行
挂起
激活 活动就绪 挂起 释放 激活 活动阻塞 静止阻塞 释放 静止就绪
挂起
2
进 程 管 理
创建和撤销 阻塞和唤醒 挂起和激活
3
进 程 管 理
3.5 进程的同步与互斥
进程的同步和互斥机制的主要任务：控 制并发执行的诸进程之间能有效地共享 和相互协作，同时使并发执行的程序仍 具有可再现性。 进程互斥 进程同步 利用信号量机制解决具体问题
9
进 程 管 理
一种简便的实现方法是： 一种简便的实现方法是：
lock(x)= begin local v repeat v x until v=1 (临界资源成为可用） 临界资源成为可用） 临界资源成为可用 x 0 end
10
进 程 管 理
不过，这种方法是不能保证并发进程互斥执 不过，这种方法是不能保证并发进程互斥执 行所要求的准则（ 行所要求的准则（3）的（只允许一个进程进入 临界区）。为了解决这个问题， ）。为了解决这个问题 临界区）。为了解决这个问题，有些机器在硬件 中设置了“测试与设置(test set)指令 指令” 中设置了“测试与设置(test and set)指令”。 此外，有一点需要注意的是： 此外，有一点需要注意的是：在系统试验时锁定 key[S]总是设置在公有资源所对应的数据结构 为key[S]总是设置在公有资源所对应的数据结构 中的。 中的。
23
进 程 管 理
s.value的物理含义
当s.value>0数值时，表示某类可用资源的数量。 而当s.value<0数值时，表示该类资源已分配完。 若有进程请求该类资源，则被阻塞，其绝对值 等于等待该类资源的进程数。 每次的P(s)操作，意味着进程请求分配该类资 源的一个单位资源。相反，执行一次V(s) 操作 意味着进程释放相应资源的一个单位资源。当 值小于等于0时，表明有进程被阻塞，需要唤 醒。
操作系统第6章 进程互斥与同步

操作系统第6章 进程互斥与同步


Co-begin void Producer_i( ) (i=1,2…k) { item next_p; while(1){ produce an item in next_p P(empty); P(s); add next_p to buffer V(s); V(full); } } void consumer_j( ) (j=1,2…m) { item next_c; while(1){ P(full); P(s); remove an item from buffer to next_c V(s); V(empty); consume the item in next_c}} Co-end
• 进入临界段之前要申请，获得批准方可进入； • 退出临界段之后要声明，以便其他进程进入。
用程序描述： While(1){ entry_section; critical_section; exit_section; remainder_section; }
解决临界段问题的软件算法必须遵循：
准则1:不能虚设硬件指令或假设处理机数目。 准则2:不能假设n个进程的相对速度。 准则3:当一个进程未处于其临界段时，不应阻止 其他进程进入临界段。 准则4:当若干进程欲进入临界段时，应在有限时 间内选出一个进程进入其临界段。 用准则3，4不难推出下面原则 协调各进程入临界段的调度原则： • 当无进程处于临界段时，允许一个进程立即进入临界段。
3.实现临界段的硬件方法
利用处理机提供的特殊指令实现临界区加锁。 常见硬件指令有: ⑴ “Test_and_Set”指令 该指令功能描述为： int *target ( 限定为0,1） int Test_and_Set (int *target) { int temp; temp = *target ； *target = 1; return temp; }
第4章 进程的同步与互斥

第4章 进程的同步与互斥


mxh
同步
生产者活动：
Repeat 加工一件物品
消费者活动：
Repeat wait(full)
wait（empty）
物品放入箱中 signal(full)
箱中取一物品
signal(empty) 消耗这件物品
Until false
Until false
mxh
互斥
生产者活动：
Repeat
认为缓冲区同一时刻只有一个人可
mxh
4.1 进程的同步和互斥

信号量定义(记录型信号量)

semaphore是一个结构体： typedef struct {
int value;
//资源的个数
//进程链表
struct process *L;
} semaphore;
mxh
4.1 进程的同步和互斥 申请一个
• 信号量操作wait现在可按如 下来定义： void wait (semaphore S) { S.value - -; if (S.value <0) { add this process to S.L; block(); } }
mxh
4.1 进程的同步和互斥
• 信号量的应用
–合作进程的执行次序 –共享缓冲区的进程的同步
mxh
4.1 进程的同步和互斥
• 合作进程的执行次序：
–保证一组合作进程按照逻辑需要所确定 的次序进行。
mxh
4.1 进程的同步和互斥
• 合作进程的执行次序
–可以用一个图来表示进程集合的执行次 序。图的连接描述了进程开始和结束的 次序约束，此图称为进程流图. –例如P78，图4-2。 –使用信号量机制实现图4-2的同步。（练 习）
进程同步与互斥应用例子

进程同步与互斥应用例子


数据库
写者 { 写数据库； }
读者 { 读数据库； }
进程的互斥
分析：写进程writer、读进程reader因竞争数据库这个资源
而成为互斥关系。因为写进程执行时，不能执行其他读写 进程，所以还必须设置一个计数器统计读进程的个数。如 果是第一个读进程，就与写进程竞争数据库。如果是最后 一个读进程，就释放数据库。因计数器是一个临界资源， 所以多个读进程对计数器的操作又是互斥操作。
进程的同步
解：这是一个同步问题，信号量初值：S2=0，S3=0，S4=0， S5=0，S6=0
进程P1 执行P1 V(S2) V(S3) 进程P4 P(S4) 执行P4 V(S6) 进程P2 P(S2) 执行P2 V(S4) 进程P5 P(S5) 执行P5 V(S6) 进程P3 P(S3) 执行P3 V(S5) 进程P6 P(S6) P(S6) 执行P6
进程的同步
• 例1：假设有三个并发进程P，Q，R，其中P负责从输入设 备上读入信息并传送给Q，Q将信息加工后传送给R，R则负 责将信息打印输出。进程P、Q共享一个缓冲区，进程Q、R 共享另一个缓冲区。
3个进程P、Q、R P进程： 从输入设备上读入信息 将信息放入缓冲区1 Q进程： 从缓冲区1取出信息 将信息放入缓冲区2中 R进程： 从缓冲区2取出信息 将信息打印输出
进程的互斥
练习：过十字路口（单道）。
P4
P1
P3
P2
P1 { 通过路口； }
P2 { 通过路口； }
P3 { 通过路口； }
P4
{ 通过路口； }
进程的互斥
分析：进程P1、P2、P3、P4因竞争十字路口这个资源而成 为互斥关系。 设：信号量m表示十字路口资源，初值为1表示资源可用。
进程之间同步和互斥的区别和联系

进程之间同步和互斥的区别和联系

进程之间同步和互斥的区别和联系
1.同步是指多个进程之间按照一定的顺序执行，互斥是指多个进程之间不能同时访问共享资源。

2. 同步是为了保证进程之间执行顺序的正确性，互斥是为了避免多个进程同时访问共享资源导致数据不一致。

3. 同步机制可以通过信号量、事件、条件变量等方式实现，互斥机制通常使用互斥锁来实现。

联系：
1. 在多进程环境中，同步和互斥是相辅相成的，两者都是为了保证程序的正确性和安全性。

2. 互斥是同步的一种特殊形式，它是为了保证同步进行而采取的措施。

3. 同步和互斥都需要协调多个进程之间的关系，从而达到正确、高效地完成任务的目的。

总之，同步和互斥是操作系统中两个重要的概念，它们的区别在于同步是为了保证执行顺序的正确性，互斥是为了避免多个进程同时访问共享资源导致数据不一致，但是它们在多进程环境中都是相辅相成的。

- 1 -。

进程_PV操作

进程_PV操作


7
主要内容：
1. 进程 2. 同步与互斥 3. PV操作与典型问题
8
PV操作
1. 信号量的含义 2. 信号量的物理意义 3. 如何用信号量实现同步与互斥
9
PV操作
1. 记录型信号量
type semaphore=record value:integer； L:list of process；
资源数目
32
哲学家进餐问题--只允许4个同时进餐(6/6)
Var Sm:semaphore := 4； Var chopstick: array[0, …,4] of semaphore； repeat wait(Sm); wait(chopstick[i]); wait(chopstick[(i+1)mod5]); eat; signal(chopstick[(i+1)mod5]); signal(chopstick[i]); signal(Sm); think; until false;
end
end
11
PV操作实现同步与互斥
1. 用P、V操作实现进程同步 （1）分析每个进程的执行条件和释放条件， 针对每个执行条件设置一个信号量，其初值 根据初始情况确定。 （2）对每个进程做如下处理： ①在请求条件出执行P（执行条件信号量） ②在释放条件处执行V（释放条件信号量）
12
PV操作实现同步与互斥
4
主要内容：
1. 进程 2. 同步与互斥 3. PV操作与典型问题
5
同步与互斥
1. 同步：多个相关进程在执行次序上的协调 如：单缓冲区 2. 互斥：在多道程序环境下，每次只允许一 个进程对临界资源进行访问 如：打印机
6
同步与互斥
同步机制和互斥机制

同步机制和互斥机制

同步机制和互斥机制同步机制是指多个进程或线程在执行过程中，为了协调彼此的操作，按照一定的规则来进行协作，从而避免冲突和数据不一致的问题。

而互斥机制是同步机制的一种实现方式，通过互斥锁来保护共享资源，确保只有一个进程或线程可以访问改资源，其他进程或线程需要等待。

同步机制的作用主要是保持多线程或多进程之间的有序性，确保数据的可靠性和一致性。

在多线程或多进程的情况下，由于资源的共享，很容易出现数据竞争的问题，例如多个线程同时对同一变量进行修改，就有可能导致数据的不一致性和错误的结果。

同步机制通过引入一些规则和机制，来确保各个线程或进程之间按照一定的次序进行访问和操作，从而避免冲突和错误。

互斥机制是同步机制的一种实现方式，主要通过互斥锁来保护共享资源。

互斥锁是一种特殊的标志，只有获得了该标志的进程或线程才能访问共享资源，其他未获得该标志的进程或线程需要等待。

当一个进程或线程获得互斥锁后，其他进程或线程就无法获得该锁，只能等待，直到该进程或线程释放互斥锁。

互斥锁的引入可以防止多个进程或线程同时对共享资源进行修改，保证了数据的一致性。

同步机制和互斥机制是操作系统中非常重要的概念，对于并发编程和资源共享有着重要的作用。

在实际应用中，同步机制和互斥机制常常同时使用，实现对共享资源的保护和管理。

在多线程编程中，同步机制和互斥机制能够帮助我们避免一些典型的问题，比如竞态条件和死锁问题。

竞态条件指的是多个线程在同一时间同时访问某一共享资源，由于执行顺序的不确定性，导致的结果不确定性。

使用同步机制和互斥机制可以确保只有一个线程在同一时间访问共享资源，避免了竞态条件的发生。

而死锁问题指的是多个进程或线程因为相互之间循环等待资源而无法继续执行的情况。

同步机制和互斥机制可以通过合理的资源分配和管理，避免死锁的发生。

在实际编程中，同步机制和互斥机制有多种实现方式。

常用的实现方式包括信号量、互斥锁、条件变量等。

信号量是一种计数器，用于控制多个进程之间的同步和互斥。

详解进程同步与互斥机制

详解进程同步与互斥机制

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。

电大操作系统 第2章教材习题解答

电大操作系统 第2章教材习题解答

第2章进程管理“练习与思考”解答1．基本概念和术语进程、进程互斥、进程同步、临界资源、临界区、死锁进程是程序在并发环境中的执行过程。

进程互斥：各个进程彼此不知道对方的存在，逻辑上没有关系，由于竞争同一资源（如打印机、文件等）而发生相互制约。

进程同步：各个进程不知对方的名字，但通过对某些对象（如I/O缓冲区）的共同存取来协同完成一项任务。

临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。

临界区：在每个进程中访问临界资源的那段程序。

死锁是指在一个进程集合中的每个进程都在等待仅由该集合中的另一个进程才能引发的事件而无限期地僵持下去的局面。

2．基本原理和技术（1）在操作系统中为什么要引入进程概念？它与程序的区别和联系是什么？在操作系统中，由于多道程序并发执行时共享系统资源，共同决定这些资源的状态，因此系统中各程序在执行过程中就出现了相互制约的新关系，程序的执行出现“走走停停”的新状态。

这些都是在程序的动态过程中发生的。

用程序这个静态概念已不能如实反映程序并发执行过程中的这些特征。

为此，人们引入“进程”这一概念来描述程序动态执行过程的性质。

进程与程序的主要区别是：·进程是动态的；程序是静态的。

·进程有独立性，能并发执行；程序不能并发执行。

·二者无一一对应关系。

·进程异步运行，会相互制约；程序不具备此特征。

但进程与程序又有密切的联系：进程不能脱离具体程序而虚设，程序规定了相应进程所要完成的动作。

（2）进程的基本状态有哪几种？通常在操作系统中，进程至少要有三种基本状态。

这三种基本状态是：运行态、就绪态和阻塞态（或等待态）。

（3）用如图3-23所示的进程状态转换图能够说明有关处理机管理的大量内容。

试回答：①什么事件引起每次显著的状态变迁？②下述状态变迁因果关系能否发生？为什么？（A）2→1 （B）3→2 （C）4→1图3-23 进程状态转换图①就绪→运行：CPU空闲，就绪态进程被调度程序选中。

05进程管理三互斥和同步一

05进程管理三互斥和同步一


23
记录型信号量和wait、signal原语
• 信号量是一个确定的二元组（value, L）， value 是一个具有非负初值的整型变量，L 是 一个初始状态为空的队列。 • value代表资源的实体。在实际应用中应准确地说
明s的意义和初值，每个信号量都有一个队列，其初 始状态为空。 – 初始化指定一个非负整数值，表示空闲资源总数 （又称为"资源信号量"）－－若为非负值表示当前 的空闲资源数，若为负值其绝对值表示当前等待 临界区的进程数
17
2.3.2 信号量(semaphore)
二、利用整型信号量实现互斥
Begin Repeat … wait(mutex); Critical section Signal(mutex) Remainder section Until false; end
while mutex≤0 do no-op mutex:=mutex-1. mutex:=mutex+1
20
a S2
d S4 S5
S1 b S3
c
g f e S6
21
利用信号量来描述前趋关系---例2 var a,b,c,d,e,f,g:semaphore:=0,0,0,0,0,0; begin prabegin begim s1;signal(a);signal(b);end; begin wait(a);s2;signal(c);signal(d);end; begin wait(b);s3;signal(g);end; begin wait(c);s4;signal(e);end; begin wait(d);s5;signal(f);end; begin wait(e); wait(f); wait(g);s6;end. parend end.
实验一进程的同步与互斥

实验一进程的同步与互斥

实验一进程的同步与互斥一、实验目的(1)加深对进程概念的理解,明确进程和程序的区别。

(2)进一步认识并发执行的实质。

(3)分析进程竞争资源现象,学习解决进程互斥的法。

(4)了解Windows对进程管理的支持。

二、实验类型观察/分析型。

三、预习内容预习进程管理有关理论和VC++对进程管理的支持, 包括进程的基本操作和经典的进程同步与互斥问题。

四、实验要求本实验通过学习和分析三个简单的Windows 线程编程编写一个简单的生产者/消费者问题实例程序。

利用(1)和(2)中的Windows 进程和线程创建法实现一个简单的读者,写者程序,读者将1~10 十个数字依次填入临界资源区gData,当且仅当gData 被读者消费后,写者才可以写入下一个数。

五、实验代码#include "windows.h"#include <conio.h>#include <stdio.h>#include <math.h>const int writerNum = 1;const int readerNum = 1;int gData = 0;bool continu = true;HANDLE hmutex;HANDLE hfullsemaphore;HANDLE hemptysemaphore;DWORD WINAPI reader(LPVOID lppara){while(continu){WaitForSingleObject(hemptysemaphore,INFINITE);WaitForSingleObject(hmutex,INFINITE);if(gData >= 11){continu = false;break;}Sleep(100);printf("readers gets data:%d\n", gData);printf("\n");ReleaseMutex(hmutex);ReleaseSemaphore(hfullsemaphore,1,NULL);}return NULL;}DWORD WINAPI writer(LPVOID lppara){while(continu){WaitForSingleObject(hfullsemaphore,INFINITE);WaitForSingleObject(hmutex,INFINITE);if(gData >= 10){continu = false;break;}Sleep(100);gData++;printf("writer gets data:%d\n", gData);printf("\n");ReleaseMutex(hmutex);ReleaseSemaphore(hemptysemaphore,1,NULL);}return NULL;}int main(){hmutex = CreateMutex(NULL,false,NULL);hfullsemaphore = CreateSemaphore(NULL,1,1,NULL);hemptysemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,1,NULL);DWORD readerdata;DWORD writerdata;for (int i=0;i<writerNum;i++){if(CreateThread(NULL,0,writer,NULL,0,&writerdata)==NULL) return -1;}for (int j=0;j<readerNum;j++){if(CreateThread(NULL,0,reader,NULL,0,&readerdata)==NULL) return -1;}printf("Program ends successfully\n");return 0;}。

操作系统 进程管理三互斥和同步二


while TS(&lock); critical section lock = FALSE; remainder section
• 利用TS实现进程互斥：每个临界资源设置一个 公共布尔变量lock，初值为FALSE • 在进入区利用TS进行检查：有进程在临界区时， 重复检查；直到其它进程退出时，检查通过；
Test-and-Set指令
该指令读出标志后设置为TRUE boolean TS(boolean *lock) { boolean old; old = *lock; *lock = TRUE; return old; } lock表示资源的两种状态：TRUE表示正被占用， FALSE表示空闲
6
互斥算法（TS指令）
记录型信号量和wait、signal原语
• 信号量是一个确定的二元组（value, L）， value 是一个具有非负初值的整型变量，L 是 一个初始状态为空的队列。 • value代表资源的实体。在实际应用中应准确地说
明s的意义和初值;
– 初始化指定一个非负整数值，表示空闲资源总数（又称为―资源信号 量‖）－－若为非负值表示当前的空闲资源数，若为负值其绝对值表示 当前等待临界区的进程数
第n个缓冲区
•Empty:有多少空缓冲区，初值为n； •Full：有多少带数据的缓冲区，初值 为0
B[n-1]
生产者消费者问题（续4）
4 用信号量实现进程的同步--生产者－消费者问题
• 我们把上面的例子扩 充，假定缓冲区 buffer 是 一 个 有 界 缓 冲 区， 可存放 n 个数据，同时 假 定 有 n 个 CP 进 程 不 断地产生数据，并送 buffer ； 有 m 个 IOP 进 程 从缓 冲区 中 取数 据 打印。 • 在我们生活中有很多 这样的例子。

操作系统很全很详细的进程同步与互斥 问题


进程的同步
例1：请用信号量机制描述下列并发进程的同步关系。 请用信号量机制描述下列并发进程的同步关系。
S P1
P2
P3
P4 F
进程的同步
解法一：信号量表示进程能否开始。 解法一：信号量表示进程能否开始。 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程 、P2、 分别表示进程P1 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程P1、P2、 P3、P4能否开始执行，其初值m1为1，其余均为0。 P3、P4能否开始执行 其初值m1为 其余均为0 能否开始执行，
思考： 思考： 哪个信号量可以省略？ 哪个信号量可以省略？
m1 p4() {
P(m3) ； 执行p3； 执行p3； V(m4) ；
P(m4) ； P(m4)； P(m4)； 执行p4； 执行p4；
}
}
}
}
进程的同步
解法二：信号量表示进程是否结束。 解法二：信号量表示进程是否结束。 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程 、P2、 分别表示进程P1 设信号量m1、m2、m3、m4分别表示进程P1、P2、 P3、P4是否结束，其初值均为0。 P3、P4是否结束 其初值均为0 是否结束，
进程的同步
例3-2：吃水果。 吃水果。 父亲 父亲 { 洗水果； 洗水果； 放水果； 放水果； } } P1 0 桔子 苹果 女儿 儿子 { 取桔子； 取桔子； 吃桔子； 吃桔子； } P2 女儿 P3 while(true) { 取苹果； 取苹果； 吃苹果； 吃苹果； 儿子
while (true)
p3() { while(1) { P(m3) ； 取苹果； 取苹果； V(m1)； V(m1)； 吃苹果； 吃苹果； } }
进程的同步

信号量实现进程互斥、同步、前驱关系

信号量实现进程互斥、同步、前驱关系信号量的值=这种资源的剩余数量（如果信号量的值⼩于0，说明此时有进程在等待这种资源）P(s)——申请⼀个资源，如果资源不够就阻塞等待V（S）——释放⼀个资源S,如果有进程在等待该资源，则唤醒⼀个进程。

1，信号量机制实现进程互斥（1）分析并发进程的关键活动，划定临界区（如：对临界资源打印机的访问就应放在临界区）（2）设置互斥信号量mutex，初值为1（3）在进⼊区P（mutex)——申请资源（4）在退出区V(mutex)——释放资源注意：对不同的临界资源需要设置不同的互斥信号量，p ,v操作必须成对出现。

缺少P（mutex)就不能保证临界资源的互斥访问，缺少V（mutex)会导致资源永不被释放，等待进程永不被唤醒。

/*记录型信号量的定义*/typedef struct{int value;struct process *L;}semaphore;/*信号量机制实现互斥*/semaphore mutex=1;p1(){...p(mutex);临界区代码...v(mutex);...}p2(){...p(mutex);临界区代码...v(mutex);...}　2,信号量实现进程同步进程同步：要让个并发进程按要求有序地推进。

p1(){代码1；代码2；代码3；}p2(){代码4；代码5；代码6；} ⽐如，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。

若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。

这就是进程同步问题，让本来异步并发的进程互相配合，有序推进。

⽤信号量实现进程同步：（1）分析什么地⽅需要实现“同步关系”，即必须保证“⼀前⼀后”执⾏的两个操作（或两句代码）（2）设置同步信号量S，初始为0（3）在“前操作”之后执⾏V（S）（4）在后操作之前执⾏P（s)/*信号量机制实现同步*/semaphore S=0;//初始化同步信号量，初始值为0P1（）{ P2（）{代码1； P（s);代码2；代码4；V（s);//释放资源代码5；代码3；代码6；} } 若先执⾏到V（s)操作，则S++后S=1.之后当执⾏到P（s)操作时，由于s=1,表⽰有可⽤资源，会执⾏S--，S的值变回0，P2进程不会执⾏block原语，⽽是继续往下执⾏代码4.若先执⾏到P（s)操作，由于S=0，S--后S=-1，表⽰此时没有可⽤资源，因此P操作中会执⾏block原语，主动请求阻塞。

用P,V操作实现进程的同步与互斥

用P，V操作实现进程的同步与互斥摘要：进程的同步与互斥是操作系统中的重要问题。

通过P，V操作可以实现进程的同步与互斥。

本论文从P，V操作的原理入手，详细介绍了P，V操作在进程中的应用，以及它们对进程同步和互斥的作用。

通过本文的阐述，读者可以深入理解操作系统中P，V操作的实现原理及其在进程中的应用。

关键词：P，V操作；进程同步；进程互斥正文：1.引言进程的同步与互斥是操作系统中的重要问题。

同步是指在多进程环境下，控制进程之间相互合作的过程，互斥则是指在同一时间，只允许一个进程访问共享资源的过程。

为了实现进程的同步与互斥，操作系统中通常使用P，V操作。

2.P，V操作原理P，V操作是一种原子操作，它们可以保证在多进程环境下的资源访问的同步和互斥。

P操作用于请求共享资源，如果资源已被其他进程占用，那么当前进程就会被阻塞，等待资源释放；V操作用于释放共享资源，如果有其他进程正在等待该资源，那么就会唤醒其中一个进程继续执行。

3.P，V操作在进程中的应用在进程中，P，V操作主要用于实现进程之间的同步与互斥。

在同步方面，可以通过P操作等待其他进程执行完毕才继续执行；在互斥方面，可以通过P操作占用共享资源，在使用完毕后通过V操作释放资源。

4.P，V操作对进程同步和互斥的作用P，V操作对进程同步和互斥的作用十分重要。

在同步方面，P操作可以协调多个进程的执行顺序，使得它们按照一定的规则执行；在互斥方面，P操作可以保证同一时间只有一个进程占用共享资源，有效避免了资源冲突问题。

5.总结通过P，V操作可以实现进程的同步与互斥。

本文详细介绍了P，V操作的原理及其在进程中的应用，以及它们对进程同步和互斥的作用。

实践证明，P，V操作是一种有效的实现进程同步与互斥的方法。

6. P，V操作的局限性虽然P，V操作能够解决进程同步与互斥问题，但是它们也存在一些局限性。

首先，P，V操作采用了忙等待的方式，需要不断地检测是否可以进行操作，这会占用CPU资源。

操作系统进程同步与互斥实验报告0204192337

学生实验报告姓名：年级专业班级学号成绩#define N 1 //N定义为临界资源!printf("请输入三个进程:\n"); //初始状态为：临界资源处于空闲状态!loop:scanf("%d %d %d",&a,&b,&c); //输入的进程名为:a,b,c!进程名输入的先后代表进程的访问顺序！if(a==N) //判断进程a是否占据临界资源!若a==N,表明a访问临界资源！{printf("a=%d\n",a); //a正在访问临界资源！printf("b=0,c=0\n"); //b,c不能进入自己的临界区，需等待a释放临界资源!printf(“临界资源正在被进程a访问,进程b,c必须等待.\n”);}else if(b==N){printf("b=%d\n",b); //b正在访问临界资源!printf("a=0,c=0\n"); //a,c不能进入自己的临界区，需等待b释放临界资源！printf(“临界资源正在被进程b访问,进程a,c必须等待.\n”);}5.编译链接所编写的程序,在编译正确的情况下执行程序.6.记录程序执行的结果(如下图所示).注意:初始状态为:临界资源处于空闲状20 10年12 月16 日【实验结果或总结】（对实验结果进行相应分析，或总结实验的心得体会，并提出实验的改进意见）1.进程a,b,c分别访问临界资源时程序执行的结果如下.(a) (b) (c)2.该程序初始化N为临界资源，根据输入a,b,c,的值是否等于N来判断进程分别是否进入自己的临界区。

当a=N 表明进程a正在访问临界资源。

此时程序执行的输出为：a=1,b=c=0表示进程b,c不能进入自己的临界区。

3.该程序能较好地体现程序并发执行时的一种制约关系-互斥，但不能较好的反映进程的同步关系，所以该算法有待改进，用以同时实现进程的同步和互斥。

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有______个等待进程。 ▪ 6. __________是一种只能进行P操作和V操作的特殊变量。 ▪ A 调度 B 进程 C 同步 D 信号量 ▪ 7.有m个进程共享同一临界资源，若使用信号量机制实现
对资源的互斥访问，则信号量值的变化范围是 ________________。
课堂练习
▪ 8.某车站售票厅，任何时刻最多可容纳 20 名购票者进入，当售票厅中少于 20 名购票 者时，则厅外的购票者可立即进入，否则 需在外面等待。若把一个购票者看作一个 进程，请回答下列问题：
};
正确
P.V操作讨论
1) 信号量的物理含义： S>0表示有S个资源可用 S=0表示无资源可用 S<0则| S |表示S等待队列中的进程个数
P(S):表示申请一个资源 V(S)表示释放一个资源。信号量的初值应
该大于等于0
2) P.V操作必须成对出现，有一个P操作就 一定有一个V操作
当为互斥操作时，它们同处于同一进程 当为同步操作时，则不在同一进程中出 现.
用P、V操作解决进程间互斥问题
P1
P(mutex) V(mutex) 互斥区
P2
P(mutex) V(mutex)
P3 P(mutex) V(mutex)
互斥例子
三个进程共用两个I/O缓冲区。 解：设用信号量S表示共享资源，S初始值为
2
例：用信号量及P、V原语实现两个并发进程Pa和Pb互 斥。两进程都想进入临界区S。
如果P(S1)和P(S2)两个操作在一起，那 么P操作的顺序至关重要,一个同步P操作 与一个互斥P操作在一起时同步P操作在 互斥P操作前 而两个V操作无关紧要
3）P.V操作的优缺点 优点：
简单，而且表达能力强（用P.V操作可解决 任何同步互斥问题）
缺点：
不够安全；P.V操作使用不当会出现死锁； 遇到复杂同步互斥问题时实现复杂
间接作用：
进程间要通过某种中介发生联系，是无 意识安排的，可发生在相交进程之间， 也可发生在无关进程之间
进程的同步（直接作用）
进程的同步：synchronism 指系统中多个进程中发生的事件存在某 种时序关系，需要相互合作，共同完成 一项任务。具体说，一个进程运行到某 一点时要求另一伙伴进程为它提供消息， 在未获得消息之前，该进程处于等待状 态，获得消息后被唤醒进入就绪态。
进程之间相对运行速度无硬性规定 进程互斥的解决有两种做法:
• 由竞争各方平等协商 • 引入进程管理者，由管理者来协调竞争各方
对互斥资源的使用
具体方法： 硬件（当一个进程进入临界区,就屏蔽所有
中断，但成本高） 软件（用编程解决，但常常忙等待 ）
进程互斥的软件方法
通过平等协商方式实现进程互斥的最初 方法是软件方法 。其基本思路是在进入区 检查和设置一些标志，如果已有进程在临 界区，则在进入区通过循环检查进行等待； 在退出区修改标志。 其中的主要问题是设 置什么标志和如何检查标志。
P： i = 0; while (true) { 生产产品; P(S1); 往Buffer [i]放产品; V(S2); i = (i+1) % n;
};
Q： j = 0; while (true) { P(S2); 从Buffer[j]取产品; V(S1); 消费产品; j = (j+1) % n; };
下列活动属于哪种制约关系
(1) 若干同学去图书馆借书 (2) 两队进行篮球比赛 (3) 流水线生产的各道工序 (4) 商品生产和社会消费
习题
▪ 某仓库有两名发货员，一名审核员。当顾 客提货时，只要发货员空闲，允许顾客进 入仓库提货，顾客离开时，审核员检验顾 客提货是否正确。其工作流程如下图所示。 为了利用PV操作正确地协调他们之间的工 作，设置了两个信号量S1和S2，初值分别 位2，1。图中的a，b，c，d应分别填（）。
错误
n个缓冲区、m个生产者和k个消费者
P： i = 0; while (true) { 生产产品; P(S1); P(mutex);
往Buffer [i]放产品;
i = (i+1) % n;
V(mutex); V(S2); };
Q： j = 0; while (true) { P(S2); P(mutex); 从Buffer[j]取产品; j = (j+1) % n; V(mutex); V(S1); 消费产品;
} }
P、V操作为原语操作
原语：primitive or atomic action 是由若干多机器指令构成的完成某种特定功 能的一段程序，具有不可分割性
即原语的执行必须是连续的，在执行过程中 不允许被中断 实现：开关中断
信号量的使用：
必须置一次且只能置一次初值 初值不能为负数
只能执行P、V操作
课堂练习
▪ 1.若进程信号量S的初值为2,当前值为-1,则表示有 _________个等待进程.
▪ A 0 B1 C2 D3 ▪ 2.用P、V操作管理临界区时，信号量的初值应定义为
_______ ▪ A -1 B 0 C 1 D任意值 ▪ 3.对于两个并发进程，设互斥信号量为mutex，若mutex=0，
使用互斥区的原则：
空闲让进：当无进程在互斥区时，任何有 权使用互斥区的进程可进入
忙则等待：不允许两个以上的进程同时进 入互斥区
有限等待：任何进入互斥区的要求应在有 限的时间内得到满足
让权等待：处于等待状态的进程应放弃占 用CPU，以使其他进程有机会得到CPU的使 用权
使用互斥区的原则： 前提：任何进程无权停止其它进程的运行
有错误？若颠倒两个P操作的顺 序？
▪ P： i = 0; while (true) { 生产产品; P(mutex); P(S1);
▪ 往Buffer [i]放产品;
▪ V(mutex); V(S2); i = (i+1) % n;
▪ };
Q： j = 0; while (true) { P(mutex); P(S2); 从Buffer[j]取产品; V(mutex); V(S1); 消费产品; j = (j+1) % n; };
P： i = 0; while (true) { 生产产品; P(S1); P(mutex);
往Buffer [i]放产品;
V(mutex); V(S2); i = (i+1) % n;
};
Q： j = 0; while (true) { P(S2); P(mutex); 从Buffer[j]取产品; V(mutex); V(S1); 消费产品; j = (j+1) % n; };
则________ ▪ A 表示没有进程进入临界区 ▪ B 表示有一个进程进入临界区 ▪ C表示有一个进程进入临界区，另一个进程等待进入 ▪ D 表示有两个进程进入临界区
课堂练习
▪ 4.在多进程的系统中,为了保证公共变量的完整性,各进程 应互斥进入临界区.所谓临界区是指_________
▪ A 一个缓冲区 B 一段数据区 C 同步机制 D 一段程序 ▪ 5.如果信号量的当前值为-4，则表示系统中在该信号量上
顾客进程 （i =1，2，…，n） a
在仓库提货程和P2进程共享一台打印机，用信号量和P、V 操作实现它们的互斥。
▪ 例2 矩阵A+B=矩阵和，用信号量和P、V原语操作实现它 们的同步。A用甲进程表示，B用乙进程表示。
▪ 例3 矩阵A+B= C，用信号量和P、V原语操作实现它们的 同步。A用甲进程表示，B用乙进程表示，C用丙进程表 示。
解：
1）设sem为互斥信号量，表示临界区是否可进入
2）设sem的初始值为1，表示临界区可用
3）描述：
Pa：
Pb:
P(sem)
P(sem)
<S>
<S>
V(sem)
V(sem)
……
……
例：大学校门处要求来客登记，只有一张登记表，登 记表同时只能由一个人使用，用P、V原语描述一个 校外人员进入大学的过程。
解：
1）设互斥信号量mutex，表示登记表是否正在使用
2）设mutex初始值为1，表示登记表没有人使用
3）描述：
Enter:
P(mutex)
//申请登记表
登记
V(mutex)
//释放登记表
同步例子
▪ 有A、B两进程，A进程从卡片机读信 息入缓冲区，B进程负责加工读进缓冲 区的卡片
▪ 解：设信号量S1：缓冲区中有否可供 加工的信息，初始值为0；信号量S2： 缓冲区是否为空，初始值为1。
执行getspace就是获取一 个空数据
release(ad) { toptop+1 ； stack[top]ad ； }
release(ad)就是释放一 个地址为ad的数据块
信号量：semaphore
▪ 是一个数据结构 ▪ 定义如下：
struct semaphore { int value; pointer_PCB queue; }
设有两个计算进程PA、PB共享内存MS。 其中MS分为三个领域，即系统区、进程 工作区和数据区。这里数据区被划分大 小相等的块，每个块中既可能放有数据， 也有可能未放有数据。系统区主要是堆 栈S，其中存放那些空数据块的地址。
如图所示：
getspace（） { int g;
gstack[top]; toptop-1; }
P： while (true) {
生产一个产品; P(s1) ; 送产品到缓冲区; V(s2); };
Q： while (true) { P(s2); 从缓冲区取产品; V(s1); 消费产品; };
S1初值为1，S2初值为0
放消息
P
取消息
Q