作業系統總結 - 程序同步、通訊、死鎖(三)

阿新 • • 發佈：2019-01-07

作業系統總結 - 程序同步、通訊、死鎖(三)

什麼是程序同步、程序互斥
程序互斥的軟體實現方法
程序互斥的硬體實現方法
訊號量機制(important)
用訊號量實現程序互斥、同步、前驅關係
生產者-消費者問題
多生產者-多消費者
吸菸者問題
讀者-寫者問題
哲學家進餐問題
管程
死鎖的概念
死鎖的處理策略—預防死鎖
死鎖的處理策略—避免死鎖(銀行家演算法)
死鎖的處理策略—死鎖的檢測與解除

什麼是程序同步、程序互斥

基本定義:

程序具有非同步性的特徵，非同步性是指 : 各併發執行的程序以各自獨立的、不可預知的速度向前推進(之前提到)；

程序同步：指相互合作去完成相同的任務的程序間，由同步機構對執行次序進行協調。(在多道程式環境下，程序是併發執行的，不同程序之間存在著不同的相互制約關係。)；
程序互斥：指多個程序在對臨界資源進行訪問的時候，應採用互斥方式；
簡單來說，同步：多個程序按一定順序執行；互斥：多個程序在同一時刻只有一個程序能進入臨界區。

程序同步
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程序互斥

本節小結:

程序互斥的軟體實現方法

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本節小結

程序互斥的硬體實現方法

知識總覽
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本節小結
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訊號量機制(`important`)

知識總覽以及問題引入
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兩種訊號量機制:整型(S

是一個整形變數)和記錄型(S在一個結構體中)
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下面看一個栗子的執行過程(重點)

①初始化
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②、③ 分別給P1程序和P2程序分配資源，使得S.value = 0

此時為P3、P4程序服務，但是剩餘資源數為S.value = -2，所以只能進入等待佇列

所以CPU接下來只能為P1、P2服務，此時服務完之後呼叫 signal並wake up在等待佇列中的P3、P4(每次空閒一個就喚醒等待佇列中的一個)(下圖只畫出將P2從佇列中抽取出來，最後P3的過程也是一樣的)
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本節小結

用訊號量實現程序互斥、同步、前驅關係

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生產者-消費者問題

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多生產者-多消費者

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吸菸者問題

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讀者-寫者問題

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程式碼實現:

Rcount = 0; // 當前有幾個讀程序在訪問檔案
semaphore CountMutex = 1;// 用於保證對count變數的互斥訪問
semaphore WriteMutex = 1; // 用於實現對檔案的互斥訪問(寫操作)

void writer(){
    while(true){
        sem_wait(WriteMutex);// P
        // TO DO write();
        sem_post(WriteMutex);// V
    }
}

// 讀者優先策略
void reader(){
    while(true){
        sem_wait(CountMutex); //P
        if(Rcount == 0) // 第一個程序負責加鎖
            sem_wait(WriteMutex);
        Rcount++;
        sem_post(CountMutex); //V
        
        // TO DO read();

        sem_wait(CountMutex);
        Rcount--;  // 訪問檔案的讀程序數-1
        if(Rcount == 0)
            sem_post(WriteMutex); // 最後一個程序負責解鎖
        sem_post(CountMutex);
	}
}

防止寫程序餓死的方法:
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哲學家進餐問題

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//一種錯誤的解法，考慮到如果所有哲學家同時拿起左手邊的筷子，
//那麼就無法拿起右手邊的筷子，造成死鎖。

#define N 5		   // 哲學家個數
void philosopher(int i)  // 哲學家編號：0 － 4
{
    while(1)
    {
        think();			    // 哲學家在思考
        take_fork(i);			// 去拿左邊的叉子
        take_fork((i + 1) % N);	// 去拿右邊的叉子
        eat();				//　吃飯
        put_fork(i);			// 放下左邊的叉子
        put_fork((i + 1) % N);	// 放下右邊的叉子
    }
}

三種方案
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第三種方案實現
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為了防止死鎖的發生，可以設定兩個條件（臨界資源）：

必須同時拿起左右兩根筷子；
只有在兩個鄰居都沒有進餐的情況下才允許進餐。

實現思路:

//1. 必須有一個數據結構，來描述每個哲學家當前的狀態
#define N 5
#define LEFT i // 左鄰居
#define RIGHT (i + 1) % N    // 右鄰居
#define THINKING 0
#define HUNGRY   1
#define EATING   2
typedef int semaphore;
int state[N];                // 跟蹤每個哲學家的狀態

//2. 該狀態是一個臨界資源，對它的訪問應該互斥地進行
semaphore mutex = 1;         // 臨界區的互斥,互斥初始值一般是1

//3. 一個哲學家吃飽後，可能要喚醒鄰居，存在著同步關係
semaphore s[N];    // 每個哲學家一個訊號量

void philosopher(int i) {
    while(1) {
        think(); // 思考
        take_two(i); // 拿起兩個筷子
        eat();
        put_tow(i);
    }
}

//拿走兩隻筷子
void take_two(int i) {
    P(&mutex);  // 進入臨界區

    state[i] = HUNGRY; // 我餓了
    try(i); // 試圖拿兩隻筷子

    V(&mutex); // 退出臨界區
    P(&s[i]); // 沒有筷子便阻塞
}

//放回兩隻筷子
void put_tow(i) {
    P(&mutex);

    state[i] = THINKING;
    try(LEFT); // 左邊的人嘗試
    try(RIGHT); //右邊的人嘗試

    V(&mutex);
}

void try(i) {         // 嘗試拿起兩把筷子
    if(state[i] == HUNGRY && state[LEFT] != EATING && state[RIGHT] !=EATING) {
        state[i] = EATING;
        V(&s[i]); // 通知第i個人可以吃飯了
    }
}