安徽大學(xué)操作系統(tǒng)進(jìn)程管理.ppt
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計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),楊為民m0304abc@,湯子瀛哲鳳屏湯小丹編著,2,2.3.2信號(hào)量機(jī)制,1.整型信號(hào)量最初由Dijkstra把整型信號(hào)量定義為一個(gè)整型量,除初始化外,僅能通過兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的原子操作(AtomicOperation)wait(S)和signal(S)來訪問。這兩個(gè)操作一直被分別稱為P、V操作。wait和signal操作可描述為:wait(S):whileS≤0dono-opS∶=S-1;signal(S):S∶=S+1;,3,2.3.2信號(hào)量機(jī)制,2.記錄型信號(hào)量在整型信號(hào)量機(jī)制中的wait操作,只要是信號(hào)量S≤0,就會(huì)不斷地測(cè)試。因此,該機(jī)制并未遵循“讓權(quán)等待”的準(zhǔn)則,而是使進(jìn)程處于“忙等”的狀態(tài)。記錄型信號(hào)量機(jī)制,則是一種不存在“忙等”現(xiàn)象的進(jìn)程同步機(jī)制。但在采取了“讓權(quán)等待”的策略后,又會(huì)出現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程等待訪問同一臨界資源的情況。為此,在信號(hào)量機(jī)制中,除了需要一個(gè)用于代表資源數(shù)目的整型變量value外,還應(yīng)增加一個(gè)進(jìn)程鏈表L,用于鏈接上述的所有等待進(jìn)程。記錄型信號(hào)量是由于它采用了記錄型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而得名的。它所包含的上述兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)可描述為:,4,2.3.2信號(hào)量機(jī)制,typesemaphore=recordvalue:integer;L:listofprocess;end相應(yīng)地,wait(S)和signal(S)操作可描述為:procedurewait(S)varS:semaphore;beginS.value∶=S.value-1;ifS.value<0thenblock(S,L)endproceduresignal(S)varS:semaphore;beginS.value∶=S.value+1;ifS.value≤0thenwakeup(S,L);end,5,2.3.2信號(hào)量機(jī)制,在記錄型信號(hào)量機(jī)制中,S.value的初值表示系統(tǒng)中某類資源的數(shù)目,因而又稱為資源信號(hào)量,對(duì)它的每次wait操作,意味著進(jìn)程請(qǐng)求一個(gè)單位的該類資源,因此描述為S.value∶=S.value-1;當(dāng)S.value<0時(shí),表示該類資源已分配完畢,因此進(jìn)程應(yīng)調(diào)用block原語(yǔ),進(jìn)行自我阻塞,放棄處理機(jī),并插入到信號(hào)量鏈表S.L中。可見,該機(jī)制遵循了“讓權(quán)等待”準(zhǔn)則。此時(shí)S.value的絕對(duì)值表示在該信號(hào)量鏈表中已阻塞進(jìn)程的數(shù)目。對(duì)信號(hào)量的每次signal操作,表示執(zhí)行進(jìn)程釋放一個(gè)單位資源,故S.value∶=S.value+1操作表示資源數(shù)目加1。若加1后仍是S.value≤0,則表示在該信號(hào)量鏈表中,仍有等待該資源的進(jìn)程被阻塞,故還應(yīng)調(diào)用wakeup原語(yǔ),將S.L鏈表中的第一個(gè)等待進(jìn)程喚醒。如果S.value的初值為1,表示只允許一個(gè)進(jìn)程訪問臨界資源,此時(shí)的信號(hào)量轉(zhuǎn)化為互斥信號(hào)量。信號(hào)量S是一個(gè)整數(shù),S大于等于零時(shí)代表可供并發(fā)進(jìn)程使用的資源實(shí)體數(shù),但S小于零時(shí)則表示正在等待使用臨界區(qū)的進(jìn)程數(shù)。,6,2.3.2信號(hào)量機(jī)制,3.AND型信號(hào)量在兩個(gè)進(jìn)程中都要包含兩個(gè)對(duì)Dmutex和Emutex的操作,即processA:processB:wait(Dmutex);wait(Emutex);wait(Emutex);wait(Dmutex);若進(jìn)程A和B按下述次序交替執(zhí)行wait操作:processA:wait(Dmutex);于是Dmutex=0processB:wait(Emutex);于是Emutex=0processA:wait(Emutex);于是Emutex=-1A阻塞processB:wait(Dmutex);于是Dmutex=-1B阻塞,7,2.3.2信號(hào)量機(jī)制,AND同步機(jī)制的基本思想是:將進(jìn)程在整個(gè)運(yùn)行過程中需要的所有資源,一次性全部地分配給進(jìn)程,待進(jìn)程使用完后再一起釋放。只要尚有一個(gè)資源未能分配給進(jìn)程,其它所有可能為之分配的資源,也不分配給他。亦即,對(duì)若干個(gè)臨界資源的分配,采取原子操作方式:要么全部分配到進(jìn)程,要么一個(gè)也不分配。由死鎖理論可知,這樣就可避免上述死鎖情況的發(fā)生。為此,在wait操作中,增加了一個(gè)“AND”條件,故稱為AND同步,或稱為同時(shí)wait操作,即Swait(Simultaneouswait)定義如下:,8,2.3.2信號(hào)量機(jī)制,Swait(S1,S2,…,Sn)ifSi≥1and…andSn≥1thenfori∶=1tondoSi∶=Si-1;endforelseplacetheprocessinthewaitingqueueassociatedwiththefirstSifoundwithSi<1,andsettheprogramcountofthisprocesstothebeginningofSwaitoperationendifSsignal(S1,S2,…,Sn)fori∶=1tondoSi=Si+1;RemovealltheprocesswaitinginthequeueassociatedwithSiintothereadyqueue.endfor;,9,2.3.2信號(hào)量機(jī)制,4.信號(hào)量集Swait(S1,t1,d1,…,Sn,tn,dn)ifSi≥t1and…andSn≥tnthenfori∶=1tondoSi∶=Si-di;endforelsePlacetheexecutingprocessinthewaitingqueueofthefirstSiwithSi<tiandsetitsprogramcountertothebeginningoftheSwaitOperation.endifSsignal(S1,d1,…,Sn,dn)fori∶=1tondoSi∶=Si+di;RemovealltheprocesswaitinginthequeueassociatedwithSiintothereadyqueueendfor;,10,2.4經(jīng)典進(jìn)程的同步問題,2.4.1生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題2.4.2哲學(xué)家進(jìn)餐問題2.4.3讀者-寫者問題,11,2.4.1生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題,前面我們已經(jīng)對(duì)生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題(Theproceducer-consumerproblem)做了一些描述,但未考慮進(jìn)程的互斥與同步問題,因而造成了數(shù)據(jù)Counter的不定性。生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題是相互合作的進(jìn)程關(guān)系的一種抽象。在輸入時(shí),輸入進(jìn)程是生產(chǎn)者,計(jì)算進(jìn)程是消費(fèi)者;而在輸出時(shí),則計(jì)算進(jìn)程是生產(chǎn)者,而打印進(jìn)程是消費(fèi)者,因此,該問題有很大的代表性及實(shí)用價(jià)值。,12,2.4.1生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題,1.利用記錄型信號(hào)量解決生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題假定在生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的公用緩沖池中,具有n個(gè)緩沖區(qū),這時(shí)可利用互斥信號(hào)量mutex實(shí)現(xiàn)諸進(jìn)程對(duì)緩沖池的互斥使用;利用信號(hào)量empty和full分別表示緩沖池中空緩沖區(qū)和滿緩沖區(qū)的數(shù)量。又假定這些生產(chǎn)者和消費(fèi)者相互等效,只要緩沖池未滿,生產(chǎn)者便可將消息送入緩沖池;只要緩沖池未空,消費(fèi)者便可從緩沖池中取走一個(gè)消息。對(duì)生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題可描述如下:,13,2.4.1生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題,Varmutex,empty,full:semaphore∶=1,n,0;buffer:array[0,…,n-1]ofitem;in,out:integer∶=0,0;beginparbeginproceducer:beginrepeat…produceranitemnextp;…wait(empty);wait(mutex);buffer(in)∶=nextp;in∶=(in+1)modn;signal(mutex);signal(full);untilfalse;end,14,2.4.1生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題,consumer:beginrepeatwait(full);wait(mutex);nextc∶=buffer(out);out∶=(out+1)modn;signal(mutex);signal(empty);consumertheiteminnextc;untilfalse;endparendend,15,2.4.1生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題,在生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題中應(yīng)注意:首先,在每個(gè)程序中用于實(shí)現(xiàn)互斥的wait(mutex)和signal(mutex)必須成對(duì)地出現(xiàn);其次,對(duì)資源信號(hào)量empty和full的wait和signal操作,同樣需要成對(duì)地出現(xiàn),但它們分別處于不同的程序中。例如,wait(empty)在計(jì)算進(jìn)程中,而signal(empty)則在打印進(jìn)程中,計(jì)算進(jìn)程若因執(zhí)行wait(empty)而阻塞,則以后將由打印進(jìn)程將它喚醒;最后,在每個(gè)程序中的多個(gè)wait操作順序不能顛倒。應(yīng)先執(zhí)行對(duì)資源信號(hào)量的wait操作,然后再執(zhí)行對(duì)互斥信號(hào)量的wait操作,否則可能引起進(jìn)程死鎖。,16,2.4.1生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題,2.利用AND信號(hào)量解決生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題Varmutex,empty,full:semaphore∶=1,n,0;buffer:array[0,…,n-1]ofitem;inout:integer∶=0,0;beginparbeginproducer:beginrepeat…produceaniteminnextp;…Swait(empty,mutex);buffer(in)∶=nextp;in∶=(in+1)modn;Ssignal(mutex,full);untilfalse;end,17,2.4.1生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題,consumer:beginrepeatSwait(full,mutex);nextc∶=buffer(out);out∶=(out+1)modn;Ssignal(mutex,empty);consumertheiteminnextc;untilfalse;endparendend,18,2.4.2哲學(xué)家進(jìn)餐問題,1.利用記錄型信號(hào)量解決哲學(xué)家進(jìn)餐問題經(jīng)分析可知,放在桌子上的筷子是臨界資源,在一段時(shí)間內(nèi)只允許一位哲學(xué)家使用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)筷子的互斥使用,可以用一個(gè)信號(hào)量表示一只筷子,由這五個(gè)信號(hào)量構(gòu)成信號(hào)量數(shù)組。其描述如下:Varchopstick:array[0,…,4]ofsemaphore;,19,2.4.2哲學(xué)家進(jìn)餐問題,所有信號(hào)量均被初始化為1,第i位哲學(xué)家的活動(dòng)可描述為:repeatwait(chopstick[i]);wait(chopstick[(i+1)mod5]);…eat;…signal(chopstick[i]);signal(chopstick[(i+1)mod5]);…think;untilfalse;,20,2.4.2哲學(xué)家進(jìn)餐問題,可采取以下幾種解決方法:(1)至多只允許有四位哲學(xué)家同時(shí)去拿左邊的筷子,最終能保證至少有一位哲學(xué)家能夠進(jìn)餐,并在用畢時(shí)能釋放出他用過的兩只筷子,從而使更多的哲學(xué)家能夠進(jìn)餐。(2)僅當(dāng)哲學(xué)家的左、右兩只筷子均可用時(shí),才允許他拿起筷子進(jìn)餐。(3)規(guī)定奇數(shù)號(hào)哲學(xué)家先拿他左邊的筷子,然后再去拿右邊的筷子;而偶數(shù)號(hào)哲學(xué)家則相反。按此規(guī)定,將是1、2號(hào)哲學(xué)家競(jìng)爭(zhēng)1號(hào)筷子;3、4號(hào)哲學(xué)家競(jìng)爭(zhēng)3號(hào)筷子。即五位哲學(xué)家都先競(jìng)爭(zhēng)奇數(shù)號(hào)筷子,獲得后,再去競(jìng)爭(zhēng)偶數(shù)號(hào)筷子,最后總會(huì)有一位哲學(xué)家能獲得兩只筷子而進(jìn)餐。,21,2.4.2哲學(xué)家進(jìn)餐問題,2.利用AND信號(hào)量機(jī)制解決哲學(xué)家進(jìn)餐問題在哲學(xué)家進(jìn)餐問題中,要求每個(gè)哲學(xué)家先獲得兩個(gè)臨界資源(筷子)后方能進(jìn)餐,這在本質(zhì)上就是前面所介紹的AND同步問題,故用AND信號(hào)量機(jī)制可獲得最簡(jiǎn)潔的解法。Varchopsiickarray[0,…,4]ofsemaphore∶=(1,1,1,1,1);processirepeatthink;Sswait(chopstick[(i+1)mod5],chopstick[i]);eat;Ssignat(chopstick[(i+1)mod5],chopstick[i]);untilfalse;,22,2.4.3讀者-寫者問題,1.利用記錄型信號(hào)量解決讀者-寫者問題為實(shí)現(xiàn)Reader與Writer進(jìn)程間在讀或?qū)憰r(shí)的互斥而設(shè)置了一個(gè)互斥信號(hào)量Wmutex。另外,再設(shè)置一個(gè)整型變量Readcount表示正在讀的進(jìn)程數(shù)目。由于只要有一個(gè)Reader進(jìn)程在讀,便不允許Writer進(jìn)程去寫。因此,僅當(dāng)Readcount=0,表示尚無Reader進(jìn)程在讀時(shí),Reader進(jìn)程才需要執(zhí)行Wait(Wmutex)操作。若wait(Wmutex)操作成功,Reader進(jìn)程便可去讀,相應(yīng)地,做Readcount+1操作。同理,僅當(dāng)Reader進(jìn)程在執(zhí)行了Readcount減1操作后其值為0時(shí),才須執(zhí)行signal(Wmutex)操作,以便讓W(xué)riter進(jìn)程寫。又因?yàn)镽eadcount是一個(gè)可被多個(gè)Reader進(jìn)程訪問的臨界資源,因此,應(yīng)該為它設(shè)置一個(gè)互斥信號(hào)量rmutex。,23,2.4.3讀者-寫者問題,讀者-寫者問題可描述如下:Varrmutex,wmutex:semaphore∶=1,1;Readcount:integer∶=0;beginparbeginReader:beginrepeatwait(rmutex);ifreadcount=0thenwait(wmutex);Readcount∶=Readcount+1;signal(rmutex);…performreadoperation;…,24,wait(rmutex);readcount∶=readcount-1;ifreadcount=0thensignal(wmutex);signal(rmutex);untilfalse;endwriter:beginrepeatwait(wmutex);performwriteoperation;signal(wmutex);untilfalse;endparendend,2.4.3讀者-寫者問題,25,2.4.3讀者-寫者問題,2.利用信號(hào)量集機(jī)制解決讀者-寫者問題VarRNinteger;L,mx:semaphore∶=RN,1;beginparbeginreader:beginrepeatSwait(L,1,1);Swait(mx,1,0);…performreadoperation;…,26,2.4.3讀者-寫者問題,Ssignal(L,1);untilfalse;endwriter:beginrepeatSwait(mx,1,1;L,RN,0);performwriteoperation;Ssignal(mx,1);untilfalse;endparendend,27,1.對(duì)于生產(chǎn)者一消費(fèi)者問題,假設(shè)緩沖區(qū)是無界的,試用信號(hào)燈與PV操作給出解法。答:由于是無界緩沖區(qū),所以生產(chǎn)者不會(huì)因?yàn)榈貌坏骄彌_區(qū)而被阻塞,不需要對(duì)空緩沖區(qū)進(jìn)行管理,可以舍去在有界緩沖區(qū)中用來管理空緩沖區(qū)的信號(hào)量及其PV操作。semaphoremutex_in=1;semaphoremutex_out=1;semaphreproduct=0;intin=0,out=0;生產(chǎn)者活動(dòng):消費(fèi)者活動(dòng):{while(1){while(1)producenextpreduct;P(product)P(mutex_in);P(mutex_out);addtheproducttobuffer[in];taketheproductfrombuffer[out];in++;out++;V(mutex_in);V(mutex_out);V(product);}},28,14.設(shè)有一個(gè)可以裝A、B兩種物品的倉(cāng)庫(kù),其容量無限大,但要求倉(cāng)庫(kù)中A、B兩種物品的數(shù)量滿足下述不等式:-M<=A物品數(shù)量-B物品數(shù)量<=N其中,M和N為正整數(shù)。試用信號(hào)燈和PV操作描述A、B兩種物品的入庫(kù)過程。答:已知條件-M<=A物品數(shù)量-B物品數(shù)量<=N可以拆分成兩個(gè)不等式,即A物品數(shù)量-B物品數(shù)量<=NB物品數(shù)量-A物品數(shù)量<=M這兩個(gè)不等式的含義是:倉(cāng)庫(kù)中A物品可以比B物品多,但不能超過N個(gè);B物品可以比A物品多,但不能超過M個(gè)。semaphorea=n;semaphoreb=m;voidmain(){createprocess(A,…);createprocess(B,…);}A物品入庫(kù):B物品入庫(kù):void(A)void(B);{while(1){while(1){P(a);{P(b);A物品入庫(kù);B物品入庫(kù);V(b);V(a);}}}},29,18、一座小橋(最多只能承重兩個(gè)人)橫跨南北兩岸,任意時(shí)刻同一方向只允許一人過橋,南側(cè)橋段和北側(cè)橋段較窄只能通過一人,橋中央一處寬敞,允許兩個(gè)人通過或歇息。試用信號(hào)燈和PV操作寫出南、北兩岸過橋的同步算法。解:需要三個(gè)信號(hào)量。load用來控制橋上人數(shù),初值為2,表示橋上最多有2個(gè)人;north用來控制北段橋的互斥使用,初值為1;south用來控制南段橋的互斥使用,初值為1。semaphoreload=2;semaphorenorth=1;semaphresouth=l;tosouth()tonorth(){P(load);{P(load);P(north);P(south);過北段橋;過南段橋;到橋中間;到橋中間;V(north);V(south);P(south);P(north);過南段橋;過北段橋;到達(dá)南岸;到達(dá)北岸;V(south);V(north);V(load);V(load);}},30,31,,32,,,33,,,34,,,35,11.何謂并行?何謂并發(fā)?在單處理機(jī)系統(tǒng)中下述并行和并發(fā)現(xiàn)象哪些可能發(fā)生?哪些不會(huì)發(fā)生?(1)進(jìn)程與進(jìn)程之間的并行;(2)進(jìn)程與進(jìn)程之間的并發(fā);(3)處理機(jī)與設(shè)備之間的并行;(4)處理機(jī)與通道之間的并行;(5)通道與通道之間的并行;(6)設(shè)備與設(shè)備之間的并行。,36,,答:所謂并行是指同一時(shí)刻同時(shí)進(jìn)行,進(jìn)程并行需要多處理器的支持;所謂并發(fā),是指在一段時(shí)間內(nèi),多個(gè)進(jìn)程都在向前推進(jìn),而在同一時(shí)刻,可能只有一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行,多個(gè)過程輪流使用處理器。在單處理機(jī)系統(tǒng)中,可能發(fā)生的并行和并發(fā)現(xiàn)象如下:(1)進(jìn)程與進(jìn)程之間的并發(fā)。例如,在Windows操作系統(tǒng)中,MP3播放進(jìn)程和Word字處理進(jìn)程可以并發(fā)執(zhí)行,這樣用戶就可以邊聽音樂邊寫文章了。(2)處理機(jī)與設(shè)備之間的并行。例如,當(dāng)處理機(jī)進(jìn)行科學(xué)運(yùn)算時(shí),打印機(jī)可以打印文檔。(3)處理機(jī)與通道之間的并行,通道程序的執(zhí)行可與處理機(jī)的操作并行。(4)通道與通道之間的并行。通常一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)通道,這些通道可以并行地執(zhí)行相應(yīng)的通道程序。(5)設(shè)備與設(shè)備之間的并行。例如,打印機(jī)打印文檔時(shí),磁帶機(jī)在輸入數(shù)據(jù)。,37,2.什么是進(jìn)程?進(jìn)程具有哪些主要特性?比較進(jìn)程與程序之間的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)。答:進(jìn)程是具有一定獨(dú)立功能的程序關(guān)于一個(gè)數(shù)據(jù)集合的一次運(yùn)行活動(dòng)。進(jìn)程具有以下主要特性:(1)并發(fā)性:可以與其他進(jìn)程一起在宏觀上同時(shí)向前推進(jìn)。(2)動(dòng)態(tài)性:進(jìn)程是執(zhí)行中的程序。此外,進(jìn)程的動(dòng)態(tài)性還體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面。首先,進(jìn)程是動(dòng)態(tài)產(chǎn)生、動(dòng)態(tài)消亡的;其次,在進(jìn)程的生存期內(nèi),其狀態(tài)處于經(jīng)常性的動(dòng)態(tài)變化之中。(3)獨(dú)立性:進(jìn)程是調(diào)度的基本單位,它可以獲得處理機(jī)并參與并發(fā)執(zhí)行。(4)交往性:進(jìn)程在運(yùn)行過程中可能會(huì)與其他進(jìn)程發(fā)生直接或間接的相互作用。(5)異步性:每個(gè)進(jìn)程都以其相對(duì)獨(dú)立、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。(6)結(jié)構(gòu)性:每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)控制塊PCB。,38,,進(jìn)程和程序的相同點(diǎn):程序是構(gòu)成進(jìn)程的組成部分之一,一個(gè)進(jìn)程存在的目的就是執(zhí)行其所對(duì)應(yīng)的程序,如果沒有程序,進(jìn)程就失去了其存在的意義。進(jìn)程與程序的不同點(diǎn):(1)程序是靜態(tài)的,而進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的。(2)程序可以寫在紙上或在某一存儲(chǔ)介質(zhì)上長(zhǎng)期保存,而進(jìn)程具有生存期,創(chuàng)建后存在,撤銷后消亡。(3)一個(gè)程序可以對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程,但一個(gè)進(jìn)程只能對(duì)應(yīng)一個(gè)程序。例如,一組學(xué)生在一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)中做C語(yǔ)言實(shí)習(xí),他們都需要使用C語(yǔ)言的編譯程序?qū)ζ湓闯绦蜻M(jìn)行編譯,為此每個(gè)學(xué)生都需要有一個(gè)進(jìn)程,這些進(jìn)程都運(yùn)行C語(yǔ)言的編譯程序。另外,一個(gè)程序的多次執(zhí)行也分別對(duì)應(yīng)不同的進(jìn)程。,39,,6.有幾種類型進(jìn)程隊(duì)列?每類各應(yīng)設(shè)置幾個(gè)隊(duì)列?答:通常,系統(tǒng)中的進(jìn)程隊(duì)列分為如下三類:(1)就緒隊(duì)列:整個(gè)系統(tǒng)一個(gè)。所有處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程按照某種組織方式排在這一隊(duì)列中,進(jìn)程入隊(duì)列和出隊(duì)列的次序與處理機(jī)調(diào)度算法有關(guān)。在某些系統(tǒng)中,就緒隊(duì)列可能有多個(gè),用以對(duì)就緒進(jìn)程分類,以方便某種調(diào)度策略的實(shí)施。(2)等待隊(duì)列:每個(gè)等待事件一個(gè)。當(dāng)進(jìn)程等待某一事件時(shí),進(jìn)入與該事件相關(guān)的等待隊(duì)列中;當(dāng)某事件發(fā)生時(shí),與該事件相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程離開相應(yīng)的等待隊(duì)列,進(jìn)入就結(jié)隊(duì)列。(3)運(yùn)行隊(duì)列:在單CPU系統(tǒng)中只有一個(gè),在多CPU系統(tǒng)中每個(gè)CPU各有一個(gè)。每個(gè)隊(duì)列中只有一個(gè)進(jìn)程,指向運(yùn)行隊(duì)列頭部的指針被稱作運(yùn)行指示字。,40,,12.設(shè)S1和S2為兩個(gè)信號(hào)燈變量,下列八組P、V操作哪些可以同時(shí)進(jìn)行?哪些不能同時(shí)進(jìn)行?為什么?(1)P(S1),P(S2);(2)P(S1),V(S2);(3)V(S1),P(S2);(4)V(S1),V(S2);(5)P(S1),P(S1);(6)P(S2),V(S2);(7)V(S1),P(S1);(8)V(S2),V(S2)。答:能同時(shí)進(jìn)行的包括:(1)、(2)、(3)、(4)。這些操作涉及不同的信號(hào)燈變量,屬于關(guān)于不同組共享變量的臨界區(qū)。不能同時(shí)進(jìn)行的包括:(5)、(6)、(7)、(8)。這些操作涉及相同的信號(hào)燈變量,屬于關(guān)于同一組共享變量的臨界區(qū)。,41,2.5進(jìn)程通信,2.6.1進(jìn)程通信的類型2.6.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法2.6.3消息傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的若干問題2.6.4消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制,42,2.5進(jìn)程通信,通信(communication)意味著在進(jìn)程間傳送數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)可以被看作是各種進(jìn)程組成的。這些進(jìn)程都具有各自的獨(dú)立功能,且大多數(shù)被外部需要而啟動(dòng)執(zhí)行。一般來說,進(jìn)程間的通信根據(jù)通信內(nèi)容可以劃分為二種:控制信息的傳送與大批量數(shù)據(jù)傳送。有時(shí),也把進(jìn)程間控制信息的交換稱為低級(jí)通信,低級(jí)通信一般只傳送一個(gè)或幾個(gè)字節(jié)的信息,以達(dá)到控制進(jìn)程執(zhí)行速度的作用。把進(jìn)程間大批量數(shù)據(jù)的交換稱為高級(jí)通信。高級(jí)通信要傳送大量數(shù)據(jù)。高級(jí)通信的目的不是為了控制進(jìn)程的執(zhí)行速度,而是為了交換信息。,43,2.5.1進(jìn)程通信的類型,共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)(Shared-MemorySystem)消息傳遞系統(tǒng)(Messagepassingsystem)管道(Pipe)通信,44,2.5.1進(jìn)程通信的類型,1.共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)(Shared-MemorySystem)(1)基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式:諸進(jìn)程公用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的信息交換;(2)基于共享存儲(chǔ)區(qū)的通信方式:諸進(jìn)程通過對(duì)共享存儲(chǔ)區(qū)中數(shù)據(jù)的讀或?qū)憣?shí)現(xiàn)通信。,45,2.5.1進(jìn)程通信的類型,2.消息傳遞系統(tǒng)(Messagepassingsystem)不論是單機(jī)系統(tǒng)、多機(jī)系統(tǒng),還是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),消息傳遞機(jī)制都是用得最廣泛的一種進(jìn)程間通信的機(jī)制。在消息傳遞系統(tǒng)中,進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換,是以格式化的消息(message)為單位的;在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,又把message稱為報(bào)文。程序員直接利用系統(tǒng)提供的一組通信命令(原語(yǔ))進(jìn)行通信。操作系統(tǒng)隱藏了通信的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),大大減化了通信程序編制的復(fù)雜性,而獲得廣泛的應(yīng)用。消息傳遞系統(tǒng)的通信方式屬于高級(jí)通信方式。又因其實(shí)現(xiàn)方式的不同而進(jìn)一步分成直接通信方式和間接通信方式兩種。,46,2.5.1進(jìn)程通信的類型,3.管道(Pipe)通信所謂“管道”,是指用于連接一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程以實(shí)現(xiàn)他們之間通信的一個(gè)共享文件,又名pipe文件。向管道(共享文件)提供輸入的發(fā)送進(jìn)程(即寫進(jìn)程),以字符流形式將大量的數(shù)據(jù)送入管道;而接受管道輸出的接收進(jìn)程(即讀進(jìn)程),則從管道中接收(讀)數(shù)據(jù)。由于發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程是利用管道進(jìn)行通信的,故又稱為管道通信。這種方式首創(chuàng)于UNIX系統(tǒng),由于它能有效地傳送大量數(shù)據(jù),因而又被引入到許多其它操作系統(tǒng)中。,47,2.5.1進(jìn)程通信的類型,為了協(xié)調(diào)雙方的通信,管道機(jī)制必須提供以下三方面的協(xié)調(diào)能力:①互斥,即當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在對(duì)pipe執(zhí)行讀/寫操作時(shí),其它(另一)進(jìn)程必須等待。②同步,指當(dāng)寫(輸入)進(jìn)程把一定數(shù)量(如4KB)的數(shù)據(jù)寫入pipe,便去睡眠等待,直到讀(輸出)進(jìn)程取走數(shù)據(jù)后,再把他喚醒。當(dāng)讀進(jìn)程讀一空pipe時(shí),也應(yīng)睡眠等待,直至寫進(jìn)程將數(shù)據(jù)寫入管道后,才將之喚醒。③確定對(duì)方是否存在,只有確定了對(duì)方已存在時(shí),才能進(jìn)行通信。,48,2.5.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法,1.直接通信方式這是指發(fā)送進(jìn)程利用OS所提供的發(fā)送命令,直接把消息發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程。此時(shí),要求發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程都以顯式方式提供對(duì)方的標(biāo)識(shí)符。通常,系統(tǒng)提供下述兩條通信命令(原語(yǔ)):Send(Receiver,message);發(fā)送一個(gè)消息給接收進(jìn)程;Receive(Sender,message);接收Sender發(fā)來的消息;例如,原語(yǔ)Send(P2,m1)表示將消息m1發(fā)送給接收進(jìn)程P2;而原語(yǔ)Receive(P1,m1)則表示接收由P1發(fā)來的消息m1。,49,2.5.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法,在某些情況下,接收進(jìn)程可與多個(gè)發(fā)送進(jìn)程通信,因此,它不可能事先指定發(fā)送進(jìn)程。例如,用于提供打印服務(wù)的進(jìn)程,它可以接收來自任何一個(gè)進(jìn)程的“打印請(qǐng)求”消息。對(duì)于這樣的應(yīng)用,在接收進(jìn)程接收消息的原語(yǔ)中的源進(jìn)程參數(shù),是完成通信后的返回值,接收原語(yǔ)可表示為:Receive(id,message);,50,2.5.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法,我們還可以利用直接通信原語(yǔ),來解決生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題。當(dāng)生產(chǎn)者生產(chǎn)出一個(gè)產(chǎn)品(消息)后,便用Send原語(yǔ)將消息發(fā)送給消費(fèi)者進(jìn)程;而消費(fèi)者進(jìn)程則利用Receive原語(yǔ)來得到一個(gè)消息。如果消息尚未生產(chǎn)出來,消費(fèi)者必須等待,直至生產(chǎn)者進(jìn)程將消息發(fā)送過來。生產(chǎn)者-消費(fèi)者的通信過程可分別描述如下:repeat…produceaniteminnextp;…send(consumer,nextp);untilfalse;repeatreceive(producer,nextc);…consumetheiteminnextc;untilfalse;,51,2.5.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法,2.間接通信方式(1)信箱的創(chuàng)建和撤消。進(jìn)程可利用信箱創(chuàng)建原語(yǔ)來建立一個(gè)新信箱。創(chuàng)建者進(jìn)程應(yīng)給出信箱名字、信箱屬性(公用、私用或共享);對(duì)于共享信箱,還應(yīng)給出共享者的名字。當(dāng)進(jìn)程不再需要讀信箱時(shí),可用信箱撤消原語(yǔ)將之撤消。(2)消息的發(fā)送和接收。當(dāng)進(jìn)程之間要利用信箱進(jìn)行通信時(shí),必須使用共享信箱,并利用系統(tǒng)提供的下述通信原語(yǔ)進(jìn)行通信。Send(mailbox,message);將一個(gè)消息發(fā)送到指定信箱Receive(mailbox,message);從指定信箱中接收一個(gè)消息,52,2.5.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法,信箱可由操作系統(tǒng)創(chuàng)建,也可由用戶進(jìn)程創(chuàng)建,創(chuàng)建者是信箱的擁有者。據(jù)此,可把信箱分為以下三類。1)私用信箱用戶進(jìn)程可為自己建立一個(gè)新信箱,并作為該進(jìn)程的一部分。信箱的擁有者有權(quán)從信箱中讀取消息,其他用戶則只能將自己構(gòu)成的消息發(fā)送到該信箱中。這種私用信箱可采用單向通信鏈路的信箱來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)擁有該信箱的進(jìn)程結(jié)束時(shí),信箱也隨之消失。,53,2.5.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法,2)公用信箱它由操作系統(tǒng)創(chuàng)建,并提供給系統(tǒng)中的所有核準(zhǔn)進(jìn)程使用。核準(zhǔn)進(jìn)程既可把消息發(fā)送到該信箱中,也可從信箱中讀取發(fā)送給自己的消息。顯然,公用信箱應(yīng)采用雙向通信鏈路的信箱來實(shí)現(xiàn)。通常,公用信箱在系統(tǒng)運(yùn)行期間始終存在。3)共享信箱它由某進(jìn)程創(chuàng)建,在創(chuàng)建時(shí)或創(chuàng)建后,指明它是可共享的,同時(shí)須指出共享進(jìn)程(用戶)的名字。信箱的擁有者和共享者,都有權(quán)從信箱中取走發(fā)送給自己的消息。,54,2.5.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法,在利用信箱通信時(shí),在發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程之間,存在以下四種關(guān)系:(1)一對(duì)一關(guān)系。這時(shí)可為發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程建立一條兩者專用的通信鏈路,使兩者之間的交互不受其他進(jìn)程的干擾。(2)多對(duì)一關(guān)系。允許提供服務(wù)的進(jìn)程與多個(gè)用戶進(jìn)程之間進(jìn)行交互,也稱為客戶/服務(wù)器交互(client/serverinteraction)。(3)一對(duì)多關(guān)系。允許一個(gè)發(fā)送進(jìn)程與多個(gè)接收進(jìn)程進(jìn)行交互,使發(fā)送進(jìn)程可用廣播方式,向接收者(多個(gè))發(fā)送消息。(4)多對(duì)多關(guān)系。允許建立一個(gè)公用信箱,讓多個(gè)進(jìn)程都能向信箱中投遞消息;也可從信箱中取走屬于自己的消息。,55,2.5.3消息傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的若干問題,1.通信鏈路(communicationlink)為使在發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程之間能進(jìn)行通信,必須在兩者之間建立一條通信鏈路。有兩種方式建立通信鏈路。由發(fā)送進(jìn)程在通信之前,用顯式的“建立連接”命令(原語(yǔ))請(qǐng)求系統(tǒng)為之建立一條通信鏈路;在鏈路使用完后,也用顯式方式拆除鏈路。這種方式主要用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。發(fā)送進(jìn)程無須明確提出建立鏈路的請(qǐng)求,只須利用系統(tǒng)提供的發(fā)送命令(原語(yǔ)),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地為之建立一條鏈路。這種方式主要用于單機(jī)系統(tǒng)中。,56,2.5.3消息傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的若干問題,根據(jù)通信鏈路的連接方法,又可把通信鏈路分為兩類:①點(diǎn)—點(diǎn)連接通信鏈路,這時(shí)的一條鏈路只連接兩個(gè)結(jié)點(diǎn)(進(jìn)程);②多點(diǎn)連接鏈路,指用一條鏈路連接多個(gè)(n>2)結(jié)點(diǎn)(進(jìn)程)。而根據(jù)通信方式的不同,則又可把鏈路分成兩種:?jiǎn)蜗蛲ㄐ沛溌罚辉试S發(fā)送進(jìn)程向接收進(jìn)程發(fā)送消息;雙向鏈路,既允許由進(jìn)程A向進(jìn)程B發(fā)送消息,也允許進(jìn)程B同時(shí)向進(jìn)程A發(fā)送消息。,57,2.5.3消息傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的若干問題,2.消息的格式在某些OS中,消息是采用比較短的定長(zhǎng)消息格式,這減少了對(duì)消息的處理和存儲(chǔ)開銷。這種方式可用于辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中,為用戶提供快速的便箋式通信;但這對(duì)要發(fā)送較長(zhǎng)消息的用戶是不方便的。在有的OS中,采用另一種變長(zhǎng)的消息格式,即進(jìn)程所發(fā)送消息的長(zhǎng)度是可變的。系統(tǒng)在處理和存儲(chǔ)變長(zhǎng)消息時(shí),須付出更多的開銷,但方便了用戶。這兩種消息格式各有其優(yōu)缺點(diǎn),故在很多系統(tǒng)(包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))中,是同時(shí)都用的。,58,2.5.3消息傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的若干問題,3.進(jìn)程同步方式(1)發(fā)送進(jìn)程阻塞、接收進(jìn)程阻塞。(2)發(fā)送進(jìn)程不阻塞、接收進(jìn)程阻塞。(3)發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程均不阻塞。,59,2.5.4消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制,1.消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(1)消息緩沖區(qū)。在消息緩沖隊(duì)列通信方式中,主要利用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是消息緩沖區(qū)。它可描述如下:typemessagebuffer=recordsender;發(fā)送者進(jìn)程標(biāo)識(shí)符size;消息長(zhǎng)度text;消息正文next;指向下一個(gè)消息緩沖區(qū)的指針end,60,2.5.4消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制,(2)PCB中有關(guān)通信的數(shù)據(jù)項(xiàng)。在利用消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制時(shí),在設(shè)置消息緩沖隊(duì)列的同時(shí),還應(yīng)增加用于對(duì)消息隊(duì)列進(jìn)行操作和實(shí)現(xiàn)同步的信號(hào)量,并將它們置入進(jìn)程的PCB中。在PCB中應(yīng)增加的數(shù)據(jù)項(xiàng)可描述如下:typeprocesscontrolblock=record…mq;消息隊(duì)列隊(duì)首指針mutex;消息隊(duì)列互斥信號(hào)量sm;消息隊(duì)列資源信號(hào)量…end,61,2.5.4消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制,2.發(fā)送原語(yǔ)發(fā)送進(jìn)程在利用發(fā)送原語(yǔ)發(fā)送消息之前,應(yīng)先在自己的內(nèi)存空間,設(shè)置一發(fā)送區(qū)a,把待發(fā)送的消息正文、發(fā)送進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、消息長(zhǎng)度等信息填入其中,然后調(diào)用發(fā)送原語(yǔ),把消息發(fā)送給目標(biāo)(接收)進(jìn)程。發(fā)送原語(yǔ)首先根據(jù)發(fā)送區(qū)a中所設(shè)置的消息長(zhǎng)度a.size來申請(qǐng)一緩沖區(qū)i,接著,把發(fā)送區(qū)a中的信息復(fù)制到緩沖區(qū)i中。為了能將i掛在接收進(jìn)程的消息隊(duì)列mq上,應(yīng)先獲得接收進(jìn)程的內(nèi)部標(biāo)識(shí)符j,然后將i掛在j.mq上。由于該隊(duì)列屬于臨界資源,故在執(zhí)行insert操作的前后,都要執(zhí)行wait和signal操作。,62,圖2-12消息緩沖通信,2.5.4消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制,63,proceduresend(receiver,a)begingetbuf(a.size,i);根據(jù)a.size申請(qǐng)緩沖區(qū);i.sender∶=a.sender;將發(fā)送區(qū)a中的信息復(fù)制到消息緩沖區(qū)之中;i.size∶=a.size;i.text∶=a.text;i.next∶=0;getid(PCBset,receiver.j);獲得接收進(jìn)程內(nèi)部標(biāo)識(shí)符;wait(j.mutex);insert(j.mq,i);將消息緩沖區(qū)插入消息隊(duì)列;signal(j.mutex);signal(j.sm);end,2.5.4消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制,64,2.5.4消息緩沖隊(duì)列通信機(jī)制,3.接收原語(yǔ)接收原語(yǔ)描述如下:procedurereceive(b)beginj∶=internalname;j為接收進(jìn)程內(nèi)部的標(biāo)識(shí)符;wait(j.sm);wait(j.mutex);remove(j.mq,i);將消息隊(duì)列中第一個(gè)消息移出;signal(j.mutex);b.sender∶=i.sender;將消息緩沖區(qū)i中的信息復(fù)制到接收區(qū)b;b.size∶=i.size;b.text∶=i.text;end,- 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