26考研——进程与线程_同步和互斥_同步与互斥的基本概念（2）

408答疑

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五、同步和互斥

同步与互斥的基本概念

为什么要引入同步和互斥？

在多道程序环境下，进程是并发执行的，不同进程之间存在着不同的相互制约关系。为了协调进程之间的相互制约关系，引入了进程同步的概念。

• 例如，让系统计算 $1+2\times 3$，假设系统产生两个进程：一个是加法进程，一个是乘法进程。
• 要让计算结果是正确的，一定要让加法进程发生在乘法进程之后，但实际上操作系统具有异步性，若不加以制约，加法进程发生在乘法进程之前是绝对有可能的。
• 因此要制定一定的机制去约束加法进程，让它在乘法进程完成之后才发生，而这种机制就是本节要讨论的内容。

临界资源和临界区

• 虽然多个进程可以共享系统中的各种资源，但其中许多资源一次只能为一个进程所用，我们将一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。
• 许多物理设备都属于临界资源，如打印机等。此外，还有许多变量、数据等都可以被若干进程共享，也属于临界资源。
• 对临界资源的访问，必须互斥地进行，在每个进程中，访问临界资源的那段代码称为临界区。
• 为了保证临界资源的正确使用，可将临界资源的访问过程分成 4 个部分：

  while(true) {entry section;        // 进入区critical section;     // 临界区exit section;         // 退出区remainder section;    // 剩余区
  }
  

  1. 进入区：为了进入临界区使用临界资源，在进入区要检查可否进入临界区，若能进入临界区，则应设置正在访问临界区的标志，以阻止其他进程同时进入临界区。
  2. 临界区：进程中访问临界资源的那段代码，又称临界段。
  3. 退出区：将正在访问临界区的标志清除。
  4. 剩余区：代码中的其余部分。

同步（协同完成一项任务）

定义

• 同步亦称直接制约关系，是指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要协调它们的运行次序而等待、传递信息所产生的制约关系。
• 同步关系源于进程之间的相互合作。

同步进程的协调

• 共享资源：同步进程通过共享资源来协调活动，在执行时间的次序上有一定约束。
• 相互合作：虽然彼此不直接知道对方的名字，但知道对方的存在和作用。
• 任务完成：在协调动作的情况下，多个进程可以共同完成一项任务。

示例

• 输入进程 A 通过单缓冲向进程 B 提供数据：
• 当该缓冲区空时，进程 B 不能获得所需数据而阻塞，一旦进程 A 将数据送入缓冲区，进程 B 就被唤醒。
• 反之，当缓冲区满时，进程 A 被阻塞，仅当进程 B 取走缓冲数据时，才唤醒进程 A。

互斥（竞争同一资源而发生相互制约）

定义

• 进程互斥是指当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。
• 当占用临界资源的进程退出临界区后，另一个进程才被允许使用临界资源。

进程互斥的特点

• 独立进程的制约：在逻辑上这两个进程本来完全独立，毫无关系，只是由于竞争同一个物理资源而相互制约。
• 无时间次序特征：它们的运行不具有时间次序的特征。

资源共享关系

• 访问控制：多个进程需要访问共同的资源，即当一个进程访问共享资源时，访问该共享资源的其他进程必须等待。
• 互斥访问：当这个进程使用完后，其他进程才能使用。这时要求进程应互斥地访问共享资源。

示例

• 在仅有一台打印机的系统中，有两个进程 A 和进程 B：
• 若当进程 A 需要打印时，系统已将打印机分配给进程 B，则进程 A 必须阻塞。
• 一旦进程 B 将打印机释放，系统便将进程 A 唤醒，并将其由阻塞态变为就绪态。

进程同步机制应遵循的原则

为禁止两个进程同时进入临界区，同步机制应遵循以下准则：

• 空闲让进（单独进入）：当无进程处于临界区时，临界资源处于空闲状态，可以允许一个请求进入临界区的进程进入自己的临界区，有效地使用临界资源。

• 忙则等待（独占临界区）：当已有进程进入自己的临界区时，意味着临界资源正被访问，因而其他试图进入临界区的进程必须等待，以保证进程互斥地使用临界资源。

• 有限等待（限时退出）：对要求访问临界资源的进程，应保证该进程在有效的时间内进入自己的临界区，以免陷入 “死等” 状态。

• 让权等待（原则上应该遵循，但非必须）：当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理器，以免陷入 “忙等”。

进程交互关系与控制问题对照表

知道程度	关系	对其他进程的影响	潜在的控制问题
进程之间不知道对方	竞争（进程互斥）	1. 一个进程的结果与其它进程的活动无关 2. 进程的分时可能会受到影响	• 互斥 • 死锁 • 饿死
进程间接知道对方 （如共享对象）	通过共享合作（进程同步）	1. 一个进程的结果可能依赖于从其他进程获得的信息 2. 进程的分时可能会受到影响	• 互斥 • 死锁 • 饿死 • 数据一致性
进程直接知道对方 （有可用通信原语）	通过通信合作（进程通信）	1. 一个进程的结果可能依赖于从其他进程获得的信息 2. 进程的分时可能会受到影响	• 死锁 • 饿死

七、参考资料

鲍鱼科技课件

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网课全程班:

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