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  第23题      
  知识点:   同步与互斥   进程   进程的同步与互斥
  关键词:   磁盘        章/节:   计算机软件知识       

 
进程P1、P2、P3、P4和P5的前趋图如下所示:

用PV操作控制这5个进程同步与互斥的程序如下,程序中的空①和空②处应分别为(23),空③和空④处应分别为(24),空⑤和空⑥处应分别为(25)。

 
 
  A.  V(S1)和P(S2)P(S3)
 
  B.  P(S1)和V(S1)V(S2)
 
  C.  V(S1)和V(S2)V(S3)
 
  D.  P(S1)和V(S1)P(S2)
 
 
 

 
  第26题    2009年下半年  
   32%
进程PI、P2、P3和P4的前趋图如下:
  第27题    2019年上半年  
   33%
PV操作是操作系统提供的具有特定功能的原语。利用PV操作可以( )。
  第24题    2021年下半年  
   59%
进程P1、 P2、P3、P4、P5和P6的前趋图如下所示。用PV操作控制这6个进程之间同步与互斥的程序如下,程序中的空①和空②处应分别为..
   知识点讲解    
   · 同步与互斥    · 进程    · 进程的同步与互斥
 
       同步与互斥
        同步是合作进程间的直接制约问题,互斥是申请临界资源进程间的间接制约问题。
        1)同步
        相互合作的进程需要在某些确定点上协调它们的工作,当一个进程到达这些点后,除非另一个进程已经完成某些操作;否则就不得不停下来等待这些操作结束。这就是进程间的同步。
        2)互斥
        在多道程序系统中,各进程可以共享各类资源,但有些资源一次只能供一个进程使用,称为临界资源。这就产生了进程间的间接制约问题——互斥。
        3)临界区管理的原则
        临界区是进程中对临界资源实施操作的那段程序。互斥临界区管理的原则是:有空即进,无空则登;有限等待,让权等待。
 
       进程
        简单而言,一个进程就是一个正在运行的程序。一般来说,一个进程至少应该包括以下几个方面的内容。
        .相应的程序:进程既然是一个正在运行的程序,当然需要有相应程序的代码和数据。
        .CPU上下文:指程序在运行时,CPU中各种寄存器的当前值,包括:程序计数器,用于记录将要取出的指令的地址;程序状态字,用于记录处理器的运行状态信息;通用寄存器,用于存放数据或地址;段寄存器,用于存放程序中各个段的地址;栈指针寄存器,用于记录栈顶的当前位置。
        .一组系统资源:包括操作系统用来管理进程的数据结构、进程的内存地址空间、进程正在使用的文件等。
        进程有动态性、独立性和并发行三个特性。
        (1)动态性。进程是一个正在运行的程序,而程序的运行状态是在不断地变化的。例如,当一个程序在运行的时候,每执行完一条指令,PC寄存器的值就会增加,指向下一条即将执行的指令。而CPU中用来存放数据和地址的那些通用寄存器,它们的值肯定也不断地变化。另外,堆和栈的内容也在不断地变化,每当发生一次函数调用时,就会在栈中分配一块空间,用来存放此次函数调用的参数和局部变量。而当函数调用结束后,这块栈空间就会被释放掉。
        (2)独立性。一个进程是一个独立的实体,是计算机系统资源的使用单位。每个进程都有自己的运行上下文和内部状态,在它运行的时候独立于其他的进程。
        (3)并发性。从宏观上来看,在系统中同时有多个进程存在,它们相互独立地运行。
        下图表示四个进程A、B、C、D在系统中并发地运行。从中可以看出,虽然从宏观上来说,这四个进程都是在系统中运行,但从微观上来看,在任何一个特定的时刻,只有一个进程在CPU上运行。从时间上来看,开始是进程A在运行,然后是进程B在运行,然后是进程C和进程D。接下来又轮到了进程A去运行。因此,在单CPU的情形下,所谓的并发性,指的是宏观上并发运行,而微观上还是顺序运行,各个进程轮流去使用CPU资源。
        
        四个进程在并发运行
        在具体实现上,以CPU中的程序计数器PC为例,真正物理上的PC寄存器只有一个。当四个进程在轮流执行时,PC取值的运动轨迹是先在进程A内部流动,然后再到进程B的内部流动,再到进程C和D。从进程的独立性角度来说,每个进程都有“自己”独立的PC寄存器,即逻辑上的PC寄存器,它们的取值相互独立、互不影响。所谓的逻辑PC,其实就是一个内存变量。例如,在上图中,当进程A要执行的时候,就把A的逻辑PC的值拷贝到物理PC中,然后开始运行。当轮到B运行的时候,先把物理PC的当前值保存到A的逻辑PC中,然后再把B的逻辑PC的值装入到物理PC中,即可运行。这样就实现了各个进程的轮流运行。
 
       进程的同步与互斥
        在多道程序设计系统中,同一时刻可能有许多进程,这些进程之间存在两种基本关系:竞争关系和协作关系。
        第一种是竞争关系,系统中的多个进程之间彼此无关,它们并不知道其他进程的存在。例如,批处理系统中建立的多个用户进程,分时系统中建立的多个终端进程。由于这些进程共用了一套计算机系统资源,因而,必然要出现多个进程竞争资源的问题。当多个进程竞争共享硬设备、变量、表格、链表、文件等资源时,可能导致处理出错。
        (1)进程的互斥(Mutual Exclusion)。
        是解决进程间竞争关系的手段。指若干个进程要使用同一共享资源时,任何时刻最多允许一个进程去使用,其他要使用该资源的进程必须等待,直到占有资源的进程释放该资源。临界区管理可以解决进程互斥问题。
        第二种是协作关系,某些进程为完成同一任务需要分工协作。
        (2)进程的同步(synchronization)。
        是解决进程间协作关系的手段。指一个进程的执行依赖于另一个进程的消息,当一个进程没有得到来自于另一个进程的消息时则等待,直到消息到达才被唤醒。
        不难看出,进程互斥关系是一种特殊的进程同步关系,即逐次使用互斥共享资源。
               生产者-消费者问题
               下面通过例子来进一步阐明进程同步的概念。著名的生产者-消费者(Producer-Consumer)问题是计算机操作系统中并发进程内在关系的一种抽象,是典型的进程同步问题。在操作系统中,生产者进程可以是计算进程、发送进程;而消费者进程可以是打印进程、接收进程等。解决好了生产者-消费者问题就解决好了一类并发进程的同步问题。
               生产者-消费者问题表述如下:有n个生产者和m个消费者,连接在一个有k个单位缓冲区的有界缓冲上,故又叫有界缓冲问题。其中,pi和cj都是并发进程,只要缓冲区未满,生产者pi生产的产品就可投入缓冲区;类似地,只要缓冲区不空,消费者进程cj就可从缓冲区取走并消耗产品。
               可以把生产者-消费者问题的算法描述如下。
               
               其中,假如一般的高级语言都有sleep()和wakeup()这样的系统调用。从上面的程序可以看出,算法是正确的,两进程顺序执行结果也正确。但若并发执行,就会出现错误结果,出错的根源在于进程之间共享了变量counter,对counter的访问未加限制。
               生产者和消费者进程对counter的交替执行会使其结果不唯一。例如,counter当前值为8,如果生产者生产了一件产品,投入缓冲区,拟做conuter加1操作。同时消费者获取一个产品消费,拟做counter减1操作。假如两者交替执行加或减1操作,取决于它们的进行速度,counter的值可能是9,也可能是7,正确值应为8。
               操作系统实现进程同步的机制称为同步机制,它通常由同步原语组成。不同的同步机制采用不同的同步方法,迄今己设计出许多同步机制,最常用的同步机制:信号量及PV,管程。
               记录型信号量与PV操作
               1965年荷兰的计算机科学家E.W.Dijkstra提出了新的同步工具——信号量和P、V操作。他将交通管制中多种颜色的信号灯管理交通的方法引入操作系统,让两个或多个进程通过信号量(semaphore)展开交互。信号量仅能由同步原语对其进行操作,原语是操作系统中执行时不可中断的过程,即原子操作(Atomic Action)。Dijkstra发明了两个同步原语:P操作和V操作(荷兰语中“测试(Proberen)”和“增量(verhogen)”的头字母。利用信号量和P、V操作既可以解决并发进程的竞争问题,又可以解决并发进程的协作问题。
               使用PV操作实现同步时,对共享资源的管理分散在各个进程之中,进程能直接对共享变量进行处理,因此,难以防止有意或无意的违法同步操作,而且容易造成程序设计错误。如果能把有关共享变量的操作集中在一起,就可使并发进程之间的相互作用更为清晰,更容易编写出正确的并发程序。
               管程
               在1974年和1975年,霍尔(Hoare)和汉森(Brinch Hansen)提出了一个新的同步机制——管程。把系统中的资源用数据结构抽象地表示出来,因此,对资源的管理就可用数据及在其上实施操作的若干过程来表示;对资源的申请和释放通过过程在数据结构上的操作来实现。而代表共享资源的数据及在其上操作的一组过程就构成了管程,管程被请求和释放资源的进程所调用。
               管程是一种程序设计语言结构成分,便于用高级语言来书写,它和信号量有同等的表达能力。管程是由若干公共变量及其说明和所有访问这些变量的过程所组成的;进程可以互斥地调用这些过程;管程把分散在各个进程中互斥地访问公共变量的那些临界区集中了起来。管程可以作为语言的一个成分,采用管程作为同步机制便于用高级语言来书写程序,也便于程序正确性验证。
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第23题    在手机中做本题