CH3讲义讲解.docx

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CH3讲义讲解

本章知识点：

1、进程的顺序性和并发性

2、分析与时间有关的错误。

（★）

3、进程同步与互斥的概念。

4、临界区及其调度。

（★）

5、记录型信号量与PV操作。

（★★★）

6、条件变量和管程。

（★★）

7、进程通信种类

8、消息传递的两种方式及其原语。

（★）

本章思考题：

1.叙述顺序程序设计的特点以及采用顺序程序设计的优缺点。

2.程序并发执行为什么会失去封闭性和结果可再现性?

3.叙述并发程序设计的特点以及采用并发程序设计的优缺点。

4.解释并发进程的无关性和交往性。

5.并发进程的执行可能产生与时间有关的错误，试各举一例来说明与时间有关错误的两种表现形式。

6.解释进程的竞争关系和协作关系。

7.试说明进程的互斥和同步两个概念之间的区别。

8.什么是临界区和临界资源？

对临界区管理的基本原则是什么？

9.哪些硬件设施可以实现临界区管理？

10.什么是信号量？

如何对它进行分类。

11.为什么PV操作均为不可分割的原语操作？

12.从信号量和PV操作的定义，可以获得哪些推论？

13.叙述AND型信号量机制的特点

14.叙述一般信量机制的特点

15.有三个并发进程：

R负责从输入设备读入信息，M负责对信号加工处理；P负责打印输出。

今提供；

1）一个缓冲区，可放置K个信息；

2）二个缓冲区，每个可放置K个信息；

3）试用PV操作写出三个进程正确工作的流程

16.没有n个进程共享一个互斥段，如果：

1）每次只允许一个进程进入互斥段；

2）每次最多允许m个进程（m≤n）同时进入互斥段。

试问：

所采用的互斥信号量初值是否相同？

信号量值的变化范围如何？

17.三个进程并发活动，其算法描述如下，试分析是否有错，如有则指出原因并改正。

Begin

S：

＝－1；

Cobegin

P1：

Begin

……

V（S）；

End

P2：

Begin

……

V（S）

End；

P3：

Begin

P（S）

……

End

Cobegin

End

18.何谓管程？

它有哪些属性？

管程中的过程在执行中能被中断吗？

为什么？

19.试比较Hanson和Hoare两种管程实现方法。

20.已经有PV操作可用作同步工具，为什么还要有消息传递机制。

21.叙述信件，信箱和间接通信原语。

22.简述消息缓冲通信机制的实现思想。

23.什么是管道（pipeline）？

如何通过管道机制实现进程间通信？

24.有一阅览室，读者进入时必须先在一张登记表上登记，该表为每一座位列出一个表目，包括座号、姓名读者离开时要批销登记信息；假如阅览室共有100个座位。

试用：

1）信号量和P．V标作；2）管程；来实现用户进程的同步算法

25.在一个盒子里，混装了数量相等的黑白围棋子。

现在用自动分拣系统把黑子、白子分开，设分拣系统有二个进程P1和P2，其中P1拣白子；P2拣黑子。

规定每个进程每次拣一子；当一个进程在拣时，不允许另一个进程去拣；当一个进程拣了一子时，必须让另一个进程去拣。

试写出两进程P1和P2能并发正确执行的程序。

26.管程的同步机制使用条件变量和Wait及Signal，尝试为管程设计一种仅仅使用一个操作的同步机制。

27.一个快餐厅有4种职员：

（1）领班：

接受顾客点菜；

（2）厨师：

准备顾客的饭菜；（3）打包工：

将做好的饭菜打包；（4）出纳员－收款并提交食品。

每个职员可被看作一个进程，试写出能让四类职员正确并发运行的程序。

28.在信号量S上作P．V操作时，S的值发生变化，当S＞0、S=0、S〈0时，它们的物理意义是什么？

29.二个并发进程并发执行，其中，A、B、C、D、E是原语，试给出可能的并发执行路径。

ProcessPProcessQ

beginbegin

A；C；

B；D；

C；end；

end；

是否在任何情况下，‘忙式等待’都比‘阻塞等待’方法的效率低？

试解释之。

30.证明信号量与管程的功能是等价的：

（1）用信号量实现管程；

（2）用管程实现信号量。

31.面包房（BakeryAlgorithm）算法，解决互斥问题的另一个算法：

Varchoosing：

array[0…n－1]ofboolean；

number：

array[0…n－1]ofinteger；

Repeat

Choosing[i]：

=True；

Number[i]：

＝1＋max（number[0]，…nuber[n－1]）；

Choosing[i]：

=false；

forj：

＝0ton－1do

begin

whilechoosing[j]do{nothing}；

whilenumber[j]≠0∧（number[j],j）＜（number[i]，i）

do{nothing}；

end；

{criticalsection}；

number[i]：

=0；

{remaider}；

forever

其中，choosing和Number的初值分别为false和0，每个数值中的第三个元素只能由进程I进行读和写，而其它进程只能读。

（a，b）＜（c，d）的定义为：

（a＜c）or（a=c∧b＜d）试回答：

（1）用自然语言描述该算法

（2）该算法能否实现互斥，为什么？

CH3进程同步与通信

3.1进程的同步与互斥

3.1.1临界区与临界资源

临界区的概念是由Dijkstra在1965年首先提出的。

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，绘图机；另外，还有许多变量和数据可以被多个进程共享，也属于临界资源。

访问临界资源的代码成为临界区。

为了保证正确使用资源，可以把对临界资源的访问分为四部分：

进入区、临界区、退出区和剩余区。

对若干个进程共享一个变量的相关的临界区，有三个调度原则：

● 一次至多一个进程能够在它的临界区内；

●不能让一个进程无限地留在它的临界区内；

●不能强迫一个进程无限地等待进入它的临界区。

特别，进入临界区的任一进程不能妨碍正等待进入的其它进程的进展；

我们可把临界区的调度原则总结成四句话：

空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待。

临界区是允许嵌套的，例如

regionxdobegin…regionydo…end

但是粗心的嵌套可能导致进程无限地留在它的临界区内，例如，如果又有一个进程执行：

regionydobegin…regionxdo…end

这样，当两个进程在大约差不多的时间进入了外层的临界区后，将发现它们每个都被排斥在内层临界区之外，造成无限地等待进入临界区。

3.1.2同步与互斥的概念

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。

由于相互竞争资源时进程间并不交换信息，但是一个进程的执行可能影响到同其竞争的进程，如果两个进程要访问同一资源，那么，一个进程通过操作系统分配得到该资源，另一个将不得不等待。

在极端的情况下，被阻塞进程永远得不到访问权，从而不能成功地终止。

所以，资源竞争出现了两个控制问题：

一个是死锁（Deadlock）问题，一组进程如果都获得了部分资源，还想要得到其他进程所占有的资源，最终所有的进程将陷入死锁。

另一个是饥饿（Starvation）问题，例如，三个进程p1、p2、p3均要周期性访问资源R。

若p1占有资源，p2和p3等待资源。

当p1离开临界区时，p3获得了资源R。

如果p3退出临界区之前，p1又申请并得到资源R，如此重复造成p2老是得不到资源R。

尽管这里没有产生死锁，但出现了饥饿。

对于临界资源，操作系统需要保证诸进程能互斥地访问这些资源，既要解决饥饿问题，又要解决死锁问题。

进程的互斥（MutualExclusion）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，其它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，本章第二节将详细介绍临界区的解决方案。

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。

我们在前面给出了一个例子，input、process、和output三个进程分工协作完成读入数据、加工处理和打印输出任务，这是一种典型的协作关系，各自都知道对方的存在。

这时操作系统要确保诸进程在执行次序上协调一致，没有输入完一块数据之前不能加工处理，没有加工处理完一块数据之前不能打印输出等等，每个进程都要接收到它进程完成一次处理的消息后，才能进行下一步工作。

进程间的协作可以是双方不知道对方名字的间接协作，例如通过共享访问一个缓冲区进行松散式协作；也可以是双方知道对方名字，直接通过通信进行紧密协作。

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。

3.2互斥的实现方法

3.2.1互斥算法

3.2.1.1Dekker算法

荷兰数学家T.Dekker算法能保证进程互斥地进入临界区，这是最早提出的一个不需轮换的软件互斥方法，此方法用一个指示器turn来指示应该哪一个进程进入临界区。

若turn=0则进程P0可以进入临界区；若turn=1则进程P1可以进入临界区。

Dekker算法的程序如下：

varinside:

array[0..1]ofBoolean;

Turn:

integer;

turn:

=0or1;

inside[0]:

=false;

inside[1]:

=false;

cobegin

processP0

begin

inside[0]:

=true;

whileinside[1]doifturn=1then

begin

inside[0]:

=false;

whileturn=1dobeginend;

inside[0]:

=true;

end

临界区;

turn=1；

inside[0]:

=false;

end;

processP1

begin

inside[1]:

=true;

whileinside[0]doifturn=0then

begin

inside[1]:

=false;

whileturn=0dobeginend;

inside[1]:

=true;

end

临界区;

turn=0；

inside[1]:

=false;

end;

coend

这种方法显然能保证互斥进入临界区的要求，这是因为仅当tum=i（i=0，1）时进程Pi（i=0，1）才能进入其临界区。

因此，一次只有一个进程能进入临界区，且在一个进程退出临界区之前，turn的值是不会改变的，保证不会有另一个进程进入相关临界区。

同时，因为turn的值不是0就是1，故不可能同时出现两个进程均在while语句中等待而进不了临界区，但是不能解决“空闲让进”问题。

3.2.1.2 Peterson算法

在1981年,G