第九讲 进程同步与通信,目的与要求：掌握信号量解决进程同步互斥问题的方法，掌握进程通信的基本实现方法。 重点与难点：信号量的典型应用，通信实现。 作业：15，16，17。,4.2.5 进程同步与互斥举例 一、有限缓冲区问题 问题描述：设有n个缓冲区，一组生产者进程往缓冲区写数据，一组消费者进程从缓冲区取数据，写取都以一个缓冲区为单位。 说明： 将缓冲池看做是共享数据，对缓冲区的 操作必须是互斥操作。 如果n个缓冲区全满，生产者进程必须 等待。 如果缓冲区全空，消费者进程必须等待。,有限缓冲区的生产者/消费者问题（生产者和消费者共享一个产品缓冲池）。,共享N个缓冲区,P1 P2 Pm C1 C2 Cn,生产者,消费者,缓冲池,解：设置以下信号量 mutex,初值为1，控制互斥访问缓冲池。 full,初值为0，表示当前缓冲池中满缓冲区数，用于同步。 empty,初值为n，表示当前缓冲池中空缓冲区数，用于同步。 有限缓冲区生产者/消费者进程描述如下： type item= ; var buffer= ; full,empty,mutex:semaphor; nextp,nextc:item; begin full:=0; empty:=n; mutex:=1;,P(empty); P(mutex); add nextp to buffer; V(mutex); V(full); until false; end;,Parbegin Producer: begin repeat produce an item in nextp; ., consume the item in nextc; until false; end; Parend;,consumer:begin repeat P(full); P(mutex); remove an item from buffer to nextc 释放缓冲区 V(mutex); V(empty);,若存在一共享数据A，那些对它进行读访问者叫Reader，对它进行写访问者叫做Writer。 第一类Reader/ Writer问题： Reader和Writer争夺访问共享数据A时，Reader有较高优先数。 表现在：除了某个Writer正在访问数据之外，任何情况下Reader欲访问数据均可以直接进行访问。,二、Readers/Writers问题,该问题可具体描述为： 1.如果当前无人访问数据，则Reader/ Writer欲访问即可访问。 2.如果已存在一个Reader正在访问数据，其他欲访问Reader可马上访问（这体现Reader有较高优先权）；而欲访问的Writer必须等待。 3.若某个Writer正访问数据，则欲访问的Reader/ Writer都必须等待。,（续） 4.当最后一个结束访问数据的Reader发现有Writer正在等待时，则将其中一个唤醒。 5.当某个Writer结束访问时，若只有Writer在等待，则唤醒某个Writer，若既有Writer也有Reader；则按FIFO或某它原则唤醒一个Writer或所有Reader。,Reader的一般结构为： P(mutex)； readcount:=readcount+1; If readcount=1 then P(wrt); V(mutex)； 读数据A P（mutex）； readcount:= readcount-1; If readcount=0 then V(wrt); V(mutex);,Writer的一般结构为： P（wrt）; 写数据A V（wrt）;,三、哲学家就餐问题 问题描述：五个哲学家五只筷子，哲学家循环做着思考和吃饭的动作，吃饭程序是：先取左边筷子，再取右边筷子，再吃饭，再放筷子。,实现：为每个筷子设一把锁（信号量，初值为1）每个哲学家是一个进程。共享数据结构为： Var Chopstick;array 0,4of semaphore; 第i个进程描述为(i=0, ,4) repeat P（chopsticki）; P(chopstick(i+1)mod 5)； 吃 V(chopsticki); V(Chopstick(i+1)mod 5； 思考 until false;,(这可能导致死锁),4.3 进程通信 两种基本进程通信方法： 1.共享存储（Shared-memory）：相互通信的进程有共享存储区。进程间可以通过直接读写共享存储区的变量来交互数据，同步与互斥在并发程序设计时安排进入程序。操作系统提供这样的共享存储区及某些同步互斥工具。 2.消息传递(message-passing)：若进程间无共享空间，则必须通过消息传递通信，且必须通过OS系统调用实现。,消息传递系统调用语句的一般形式: 发送：Send #向1040号进程发送 一个SIGUSR1信号。 Process B Signal(SIGUSR1,func);#当收到SIGUSR1信 号时，就执行func(),如果SIGUSR1 信号未到，则系统登记func函数， 待其信号到时再调用执行。,2.间接通信法（信箱命名法 基本思想：系统为每个信箱设一个消息队列，消息发送和接收都指向该消息队列，（每个进程可以对消息队列发送并接收/只发送/只接收) 缺点：必须有一个通信双方共享的一个逻辑消息队列（UNIX的PIPE，FIFO及IPC消息传递机制都属于这种形式），使用时消息发送者约定写方式打开信箱,消息接收者约定读方式打开信箱或同时读写打开。 优点：很容易建立双向通信链(只要对信箱说明为读写打开)。,逻辑通信链容量： 在通信发送者和接收者之间存在一条逻辑通信链，设链的容量是指该链暂存消息的能力。 1.容量为0，表示链中无缓冲(不计链头的发送缓冲和链尾的接收缓冲)，这要求接收方必须在发送方之前发接收请求，否则发送失败。 2.有限容量，表示链中有有限缓冲区、发送者不必等接收者发出接收请求，不必等接收者准备好接收缓冲区，即可将消息存于通信链中的缓冲区中。 3.消息从发送方缓冲进入系统缓冲区，即可再次发新消息，无需等上一消息被完全接收。,二、缓冲与同步,发送者执行send( )的同步问题： 1.将发送者消息拷入通信链缓冲区，即将控制返回发送者。 2.在将消息从硬通信通道发出后，将控制返回发送者。 3.在消息由接收方节点的系统收到后，再将控制返回发送者。 4.在消息由接收方收到后，再将控制返回发送者。 5.在消息由接收方处理完后，再将控制返回发送者（RPC，LPC）。 为实现3.,4.情形同步，需要建立回送到发送者所在系统的通信链，5.的情形需要建立回送到发送者的通信链。,4.3.2 进程通信示例 直接通信消息系统的两个基本操作为： send(A)：A指向含接收者pid和消息正 文的空间。 Receive(A)：A指向缓冲区用于接收消 息，该系统调用函数返回值 是消息发送者pid。,实现：系统有一用于进程通信的缓冲池，池中缓冲区用于存放消息及消息发送者pid和消息链指针(用pid定位进程PCB表)。,Senders pid,消息正文,Link,消息缓冲区,每个进程有一个消息队列，存放发送给该进程的消息，队列头存于PCB中，同时在PCB中设一互斥信号量mutex(初值为1)和一同步通信的信号量Sm（初值为0），Sm也用于计录消息队列中的消息数。,.,mutex,Sm,.,Senders pid,text,Senders pid,text,Receivers PCB message message,Hptr,Send(A): begin New(p)；从缓冲池得一个buffer . 置senders pid； 将A中消息送buffer p； 获得Receivers pid； P(mutex)； 将buffer p挂入相应的消息队列； V(Sm)； V(mutex)； end；,Receive(A)： begin P(Sm)； P(mutex)； 从本进程的消息队列取一个buffer f； V(mutex)； 从buffer f中取得消息正文送A,并得到 senders pid作为Receive( )的返回值； . dispose(f)；#释放buffer f到缓冲池 end；,注:new,dispose函数对 缓冲池的访问也需要互斥.,