操作系统进程描述及控制2.docx
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操作系统进程描述及控制2
2.5经典进程的同步问题
在多道程序环境下，进程同步问题十分重荽，出现一系列经典的进程同步问题，其中有代表性有:
-生产者一消费者问题
-哲学家进餐问题
-读者一写者问题
■"生产者一消费者〃问题
•问题描述
P1
cl
c2
pm
cm
L记录型信号量解决“生产者一消费者"问题
设置两个同步信号量及一互斥信号量
empty:
说明空缓冲单元的数目，其初值为有界缓冲区的大小n。
Full:
说明满缓冲单元的数目（即产品数目），其初值为0.
Mutex:
说明该有界缓冲区是一临界资源，必须互斥使用，
其初值为1。
intin=0,out=0;itembuffer[n];semaphoremutex=1,empty=n,full=O;voidproceducerO{
do{produceranitemnextp;
•••
wait（empty）;
wait（mutex）;
buffer[in]=nextp;
in=（in+l）%n;signal（mutex）;signal（full）;
}while（TRUE）;}
voidconsumerO{do{wait（full）;
wait（mutex）;
nextc=buffer[out];
out=（out+l）%n;signal（mutex）;signal（empty）;consumertheiteminnextc;
•••
}while（TRUE）;}voidmainO{cobeginproceducerQ；consumerQ；
coend}
1.互斥信号量的RV操作在每一程序中必须成对岀现.
2.资源信号量（full,empty）也必须成对出现，但可分别处于不同的程序中.
3.多个P操作顺序不能颠倒.
4.先执行资源信号量的P操作,再执行互斥信号量的P操作，否则可能引起进程死锁.
5.它是一个同步问题：
（1）消费者想要取产品，有界缓冲区中至少有一个单元是满的。
（2）生产者想要放产品，有界缓冲区中至少有一个是空的。
6.它是一互斥问题
有界缓冲区是临界资源，因此，各生产者进程和各消费者进程必须互斥执行。
2.利用AND信号量解决生产者一消费者问题
对于生产者一消费者问题，也可利用AND信号量来解决，即
用Swait（empty,mutex）来代替wait（empty）和wait（mutex）;
用Ssignal（mutex,full）来代替signal（mutex）和signal（full）;
用Swait（full,mutex）来代替wait（full）和wait（mutex）,
以及用Ssignal（mutex,empty）代替Signal（mutex）和Signal（empty）o
利用AND信号量来解决生产者一消费者问题的算法描述如下:
intin=0,out=0;itembuffer[n];semaphoremutex=l,empty=n,full=O;
voidproceducerO（
do（produceranitemnextp
•••
Swait（empty,mutex）;
buffer[in]=nextp;
in=（in+l）%n;
Ssignal（mutexffull）;
}while（TRUE）;}
voidconsumerO（
do（Swait（full,mutex）;nextc=buffer[out];out=（out+l）%n;Ssignal（mutexfempty）;consumertheiteminnextc;
•••
}while（TRUE）;}
voidmain（）（cobeginproceducerO;consumer。
；coend）
3.用管程机制解决生产者一消费者问题
建立Producer-consumer（PC）管程
Dput（x）过程
生产者利用此过程将自已的消•息放到缓冲池中，若发现缓冲已满（count>n）测等待。
Dget（x）过程
消费者利用此过程将缓冲池中的消息取走，若发现缓冲已空（count《0）,则等待。
过程cwait和csignal对条件变量notfull和notempty进行操作
（1）cwait（condition）
当管程被一个进程占用时，其他进程调用该过程时阻塞，并挂在条件condition队列上
（2）csignal（condition）
唤醒在cwait执行后阻塞在条件condition队列上的进程，如果这样的进程不止一个，则选择其中一个实施唤醒操作；如果队列为空，则无操作而返回。
PC管程可描述如下
Monitorprocducerconsumer（itembuffer[N];
intin,out;
conditionnotfulLnotempty;intcount;
public:
voidput（itemx）（
if（count>=N）cwait（notfull）;buffer[in]=x;
in=（in+l）%N;
count++；
csignal（notempty）;}
Voidget（itemx）（
if（count<=0）cwait（notempty）:
x=buffer[out];out=（out+l）%N;
count--;
csignal（notfull）;）
（in=O;out=O;count=0;}
}PC
voidmain（）
（cobeginproceducer（）;consumerO；coend}
nextc;}）
生产者一消费者描述
voidproducerO（itemx;while（TRUE）（
•••produceaniteminnextp;PC.put（x）;））
VoidconsumerQ（itemx;while（TRUE）（PC.get（x）;consumetheitem
"哲学家进餐〃问题
问题描述
有五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。
他们共用一张圆桌，分别坐在五张椅子上。
在圆桌上有五个碗和五支筷子，平时一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用其左.右最靠近他的筷子，只有在他拿到两支筷子时才能进餐。
进餐毕，放下筷子又继续思考。
哲学家进餐问题可看作是并发进程并发执行时，处理共享资源的一个有代表性的问题。
哲学家4
筷了cp2
哲学家进餐结构图
所有信号量均被初始化为]，第i位哲学家的活动可描述为:
do（
wait^chopstick[i]）;wait（chopstick[（i+l）%5]）;
eat;：
signal（chopstick[i]）;signal（chopstick[（i+l）%5]）;
think;}while（TRUE）;
三、“读者一写者〃问题
•问题描述：
一个数据对象（数据文件或记录）可被多个进程共享。
其中,reader进程要求读，writer进程要求写或修改。
允许多个reader进程同时读共享数据，但绝不允许一个writer进程与其它的reader进程或writer进程同时访问，即writer进程必须与其它进程互斥访问共享对象。
•"读者一写者〃问题的同步算法描述
设置一个共享变量和两个信号量:
共享变量Readcount:
记录当前正在读数据集的读进程数目，初值为0。
读互斥信号量Rmutex:
表示读进程互斥地访问共享变量readcount,初值为1.
写互斥信号量wmutex:
表示写进程与其它进程（读,写）互斥地访问数据集，初值为1.
读者一写者问题可描述如下：
semaphorermutex=l,wmutex=l
intreadcount=0;
voidreader（）（
do（
wait（rmutex）;
if（readcount==0）wait（wmutex）;readcount++;signal（rmutex）;performreadoperation;wait（rmutex）;
readcount--;
if（readcount==0）signal（wmutex）;
signal（rmutex）;}while（TRUE）;
}
voidwriter（）（
do（wait（wmutex）;performwriteoperation;signal（wmutex）;}while（TRUE）;
）
voidmainO
（cobeginreader（）;writerO；coend}
最多只允许RN个读者同时读intRN;
semaphoreL=RN,mx=l;
voidreader（）（
do（Swait（L,l,l）;
Swait（mxffl/O）;
•••
performreadoperation;
•••
Ssignal（Lrl）;
}while（TRUE）;}
voidwriter（）（
do（Swait（mx,l,l；LRN,O）;performreadoperation;Ssignal（mx,l）；}while（TRUE）;
voidmain（）（cobeginreader（）;writer（）;coend}
利用信号量集机制解决读者一写着问题
信号量例题
1.桌子上有一个空盘子，只允许放一个水果。
爸爸可以向盘中放苹果，也可以向盘中放橘子，儿子专等吃盘中的橘子，女儿专等吃盘中的苹果。
规定当盘空时，一次只能放一个水果，请用信号量实现爸爸、儿子、女儿三个"并发进程”的同步。
Semaphoreempty=l/orange=apple=0;father:
do（wait（empty）;将水果放入盘中；if（放入的是橘子）signal（orange）;elsesignal（apple）;
}while（l）;
Son:
do（wait（orange）;从盘中取岀橘子；signal（empty）;吃橘子；}while（l）;
Daughter:
do{wait（apple）;
从盘中取出苹果；signal（empty）;
吃苹果；
}while（l）;
儿子，女儿的同步过程描述如下:
2.6进程通信一高级通信
一、进程通信的类型
进程通信是指进程之间的信息交换。
根据所交换的信息量的多少分为:
•:
•低级通信进程之间交换的信息量较少且效率低。
如进程同步和互斥。
以信号量机制为例来说明，它们之所以低级的原因在于：
1效率低，生产者每次只能向缓冲池投放一个产品（消息），消费者每次只能从缓冲区中取得一个消息；
2通信对用户不透明，OS只为进程之间的通信提供了共享存储器。
在进程之间要传送大量数据时，应当利用OS提供的高级通信工具，该工具最主要的特点是:
（1）使用方便。
OS隐藏了实现进程通信的具体细节，向用户提供了一组用于实现高级通信的命令（原语），用户可方便地直接利用它实现进程之间的通信。
或者说，通信过程对用户是透明的。
这样就大大减少了通信程序编制上的复杂性。
（2）高效地传送大量数据。
用户可直接利用高级通信命令（原语）高效地传送大量的数据。
高级通信进程之间交换的信息量较多且效率高。
又分：
A共享存储器系统指进程之间通过对共享存储区读写来交换数据。
（1）基于共享数据结构的通信方式。
（2）基于共享存储区的通信方式。
A消息传递系统指进程间的通信以消息为单位，程序员可通过通信原语实现通信，按其实现方式不同可分为:
（1）直接通信方式发送进程直接把消息发送给接收进程。
（2）间接通信方式发送进程把消息发送到某个中间实体（信箱），接收进程从中取得消息。
A管道通信系统发送进程（写进程）以字符流形式将大量数据送入管道（管道:
用于连接读进程和写进程以实现它们之间通信的共享文件。
），接收进程（读进程）从管道接收数据。
A客户机•服务器系统实现方法：
套接字（Socket）,远程过程调用和远程方法调用RPC（RemoteProcedureCall）
二，•消息传递系统
■■直接通信方式（消息缓冲通信）
发送进程利用OS所提供的发送命令，直接把消息发送给接收进程。
。
要求:
发送进程和接收进程都以显式方式提供对方的标识符。
D系统提供的两条通信原语:
Send（Receiver,message）;发送一个消息给接收进程；Receive（Senderfmessage）;^收Sender发来的消息;
生产者.消费者问题的解决
repeat
Produceaniteminnextp;.
send（consumer,nextp）;
untilfalse;
repeat
Receive（producer,nextc）;;
consumetheiteminnextcuntilfalse
二、消息传递系统
---间接通信方式（信箱通信）
发送进程把消息发送到某个中间实体（信箱），接收进程从中取得消息。
•系统提供的若干条原语
。
信箱创建和撤消原语
。
两条通信原语
Send（maiIbox,message）将一个消息发送给指定信箱；Receive（maiIbox,message）从指定信箱中接收一个消息；•信箱的分类：
私用信箱,公用信箱,共享信箱
2.7线程
线程是近年来操作系统领域出现的一个非常重要的技术，其引入进一步提高了程序并发执行的程度,从而进一步提高了资源的利用率和系统的吞吐量。
-线程的基本概念
・线程间的同步和通信
-内核支持线程和用户级线程
-线程控制
一、线程的引入
操作系统中引入进程的目的，是为了使多个程序能并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量，那么，在操作系统中再引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。
进程的两个基本属性：
®进程是一个可拥有资源的独立单位;
②进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位。
正是由于进程有这两个基本属性，才使之成为一个能独立运行的基本单位，从而也就构成了进程并发执行的基础。
然而，为使程序能并发执行，系统还必须进行以下的一系列操作。
1）创建进程
系统在创建一个进程时,必须为它分配其所必需的,除处理机以外的所有资源，如内存空间、I/O设备，以及建立相应的PCB。
2）撤消进程
系统在撤消进程时，又必须先对其所占有的资源执行回收操作，然后再撤消PCB。
3）进程切换.
对进程进行切换时，由于要保留当前进程的CPU环境和设置新选中进程的CPU环境，因而须花费不少的处理机时间。
换言之，由于进程是一个资源的拥有者，因而在创建，撤消和切换中，系统必须为之付出较大的时空开销。
正因如此，在系统中所设置的进程，其数目不宜过多，进程切换的频率也不宜过高，这也就限制了并发程度的进一步提高。
线程的组成主要包括:
（1）一个被称为线程ID（threadID,线程标识符）的唯一标识符；
（2）两个栈，分别用于记录在内核模式下和用户模式下执行的；
（3）—个被称为线程局部存储器（TLS,thread-localstorage）的私有存储区域，各个子系统、运行库和DLL都会用到该存储区域;
（4）一组代表处理器状态的CPU寄存器中的内容；
（5）有时候线程也有它们自己的安全环境，如果多线程服务器应用程序
要模仿其客户的安全环境，则往往可以利用线程的安全环境。
二.线程与进程的比较
1）调度
2）并发性
3）拥有资源
4）独立性
5）系统开销
6）支持多处理机系统
三、线程的状态和线程控制块
（1）线程运行的三个状态
与传统的进程一样，在各线程之间也存在着共享资源和相互合作的制约关系，致使线程在运行时也具有间断性。
相应地，线程在运行时也具有下述三种基本状态：
1）执行状态，表示线程已获得处建机而正在运行；
2）就绪状态，指线程已具备了各种执行条件，只须再获得CPU便可立即执行；
3）阻塞状态，指线程在执行中因某事件受阻而处于暂停状态，例如，当一个线程执行从键盘读入数据的系统调用时，该线程就被阻塞。
（2）线程控制块TCB
如同每个进程有一个进程控制块一样，系统也为每个线程配置了一个线程控制块TCB,将所有用于控制和管理线程的信息记录在线程控制块中。
（3）多线程OS中的进程属性
通常在多线程OS中的进程都包含了多个线程，并为它们提供资源。
OS支持在一个进程中的多个线程能并发执行，但此时的进程就不再作为一个执行的实体。
多线程OS中的进程有以下属性:
1）进程是一个可拥有资源的基本单位。
2）多个线程可并发执行。
3）进程已不是可执行的实体。
2.8线程的实现
一.线程的实现方式
1.内核支持线程
所谓的内核支持线程KST（KernelSupportedThreads）,也都同样是在内核的支持下运行的，即无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，他们的创建,撤消和切换等也是依靠内核，在内核空间实现的。
此外，在内核空间还为每一个内核支持线程设置了一个线程控制块，内核
是根据该控制块而感知某线程的存在，并对其加以控制。
当前大多数OS
都支持内核支持线程。
内核支持线程主要有如下四个优点：
（1）在多处理器系统中，内核能够同时调度同一进程中多个线程并行执行;
（2）如果进程中的一个线程被阻塞了，内核可以调度该进程中的其它线程占有处理器运行，也可以运行其它进程中的线程；
（3）内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程的切换比较快，切换开销小；
（4）内核本身也可以采用多线程技术,可以提高系统的执行速度和效率。
内核支持线程的主要缺点是：
对于用户的线程切换而言,其模式切换的开销较大，在同一个进程中，
从一个线程切换到另一个线程时,需要从用户态转到内核态进行，这是因为用户进程的线程在用户态运行，而线程调度和管理是在内核实现的,系统开销较大。
2.用户级线程
用户级线程ULT（UserLevelThreads）仅存在于用户空间中。
对于这种线程的创建、撤消、线程之间的同步与通信等功能，都无须利用系统调用来实现。
对于用户级线程的切换，通常发生在一个应用进程的诸多线程之间，这时，也同样无须内核的支持。
由于切换的规则远比进程调度和切换的规则简单，因而使线程的切换速度特别快。
可见，这种线程是与内核无关的。
我们可以为一个应用程序建立多个用户级线程。
在一个系统中的用户级线程的数目可以达到数百个至数干个。
由于这些线程的任务控制块都是设置在用户空间，而线程所执行的操作也无须内核的帮助，因而内核完全不知道用户级线程的存在。
用户级线程的优点:
（1）线程切换不需要转换到内核空间，对一个进程而言，其所有线程
的管理数据结构均在该进程的用户空间中，管理线程切换的线程库也在用户地址空间运行。
因此，进程不必切换到内核方式来做线程管理，从而节省了模式切换的开销，也节省了内核的宝贵资源。
（2）调度算法可以是进程专用的。
在不干扰操作系统调度的情况下，不同的进程可以根据自身需要，选择不竹的调度算法对自己的线程进行管理和调度，而与操作系统的低级调度算法是无关的。
（3）
=i
用户级线程的实现与操作系统平台无关，因为对于线程管理的代码是在用户程序内的，属于用户程序的一部分，所有的应用程序都可以对之进行共享。
因此，用户级线程甚至可以在不支持线程机制的操作系统平台上实现。
用户级线程实现方式的主要缺点:
系统调用的阻塞问题。
在基于进程机制的操作系统中，大多
系统调用将阻塞进程，因此，当线程执行一个系统调用时，不仅该线程
被阻塞，而且进程内的所有线程都会被阻塞。
而在内核支持线程方式中，
则进程中的其它线程仍然可以运行。
（2）在单纯的用户级线程实现方式中，多线程应用不能利用多处理机进行多重处理的优点。
内核每次分配给一个进程的仅有一个CPU,因此进程中仅有一个线程能执行，在该线程放弃CPU之前，其它线程只能
等待。
3.组合方式
有些操作系统把用户级线程和内核支持线程两种方式进行组合，提供了组合方式ULT/KST线程。
在组合方式线程系统中，内核支持多KST线程的建立、调度和管理，同时，也允许用户应用程序建立、调度和管理用户级线程。
一些内核支持线程对应多个用户级线程，程序员可按应用需荽和机器配置对内核支持线程数目辺行调整，以达到较好的效果。
组合方式线程中，同一个进程内的多个线程可以同时在多处理器上并行执行，而且在阻塞一个线程时，并不需要将整个进程阻塞。
所以，组合方式多线程机制能够结合KST和ULT两者的优点，并克服了其各自的不足。
用户空间
内核空间
图2.18多线程模型
二,线程的实现
1.内核支持线程的实现
在仅设置了内核支持线程的OS中，一种可能的线程控制方法是，系
统在创建一个新进程时，便为它分配一个任务数据区PTDA（PerTask
DataArea）,其中包括若干个线程控制块TCB空间，如图2・19所示。
在
每一个TCB中可保存线程标识符，优先级，线程运行的CPU状态等信息。
虽然这些信息与用户级线程TCB中的信息相同，但现在却是被保存在内核空间中。
PTDA进程资源
TCB#1
TCB#2*
TCB#3
图2.19任务数据区空间
内核支持线程的调度和切换与进程的调度和切换
十分相似，也分抢占式方式和非抢占方式两种。
在线程的调度算法上，同样可采用时间片轮转法.优先权算法等。
当线程调度选中一个线程后，便将处理机分配给它。
当然，线程在调度和切换上所花费的开销，要比进程的小得多。
2・用户级线程的实现
用户级线程是在用户空间实现的。
所有的用户级线程都具有相同的结构，它们都运行在一个中间系统的上面。
当前有两种方式实现的中间系统,即运行时系统和内核控制线程。
1）运行时系统（RuntimeSystem）
所谓〃运行时系统"，实质上是用于管理和控制线程的函数（过程）的集合，其中包括用于创建和撤消线程的函数、线程同步和通信的函数以及实现线程调度的函数等。
正因为有这些函数，才能使用户级线程与内核无关。
运行时系统中的所有函数都驻留在用户空间，并作为用户级线程与内核之间的接口。
2）内核控制线程
这种线程又称为轻型进程LWP（LightWeightProcess）o每一个
进程都可拥有多个LWP,同用户级线程一样，每个LWP都有自己的對
据结构（如TCB）,其中包括线程标识符，优先级，状态，另外还有栈和局部存储区等。
它们也可以共享进程所拥有的资源。
LWP可通过系统调用来获得内核提供的服务，这样，半一个用户级线程运行时，只要
将它连接到一个LWP上，此时它便具有了内核支持线程的所有属性。
这种线程实现方式就是组合方式。
任务1
任务2
任务3
内核线程
图2-20利用轻型进程作为中间系统
三.线程的创建和终止
1.线程的创建
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