计算机操作系统部分知识点总结2
作者：互联网
信号量解决进程同步问题
1.前趋图
前趋图是一个有向无循环图，记为DAG（Directed Acyclic Graph），用于描述进程之间执行的前后关系。
图中的每个结点可用于描述一个程序段或进程，乃至一个语句；结点间的有向边‘→’则用于表示两个结点之间存在的偏序或前趋关系。
图示含义：A必须在B开始前结束
2.前趋图练习
例题：假设某个程序段包含如下 语句 ，画出它前趋图。
int a,b,c,d,e,f;
int t1,t2,t3,t4,t5;
s1: t1=a+b;
s2: t2=c+d;
s3: t3=e/f;
s4: t4=t1*t2;
s5: t5=t4-t3;
3.程序的两种执行方式的特征对比
4.进程间状态的转换
5.进程同步的主要任务
对多个相关进程在执行次序上进行协调，以使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。
6.进程间的两种制约关系
①间接相互制约
源于资源共享，即对资源的竞争关系，进程需要互斥访问同一资源。
②直接相互制约
源于进程合作，即协作关系，某些进程为完成同一任务需要分工协作。
7.临界资源和临界区
临界资源(Critical Resource):只允许进程互斥访问的资源。例如，打印机，共享变量…
临界区(Critical section)：进程中访问临界资源的代码段。
若能保证各进程互斥地进入自己的临界区，就可实现各进程对临界资源的互斥访问。
8.信号量机制类型
①整型信号量
定义S为一个用于表示资源数目的整型量，除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作wait(S)和signal(S)来访问。这两个操作也被称为P、V操作。
wait(S) {
while (S<=0); //do no-op，“忙等”
S--; }
signal(S) { S++; }
存在问题: 未遵循“让权等待”的准则
②记录型信号量
在信号量机制中，除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value外，还应增加一个进程链表指针L,用于链接上述的所有等待进程。
因采用了记录型数据结构而得名：
typedef struct {
int value;
struct process_control_block *list;
}semaphore;
wait (semaphore *S) {
S->value--;
if (S->value <0) block(S->list); }
signal (semaphore *S) {
S->value++;
if (S->value <=0) wakeup(S->list); }
③AND型信号量
基本思想:
将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配给进程，其他所有可能为之分配的资源，也不分配给它。亦即，对若干个临界资源的分配，采取了原子操作方式：要么全部分配给进程，要么一个也不分配。
AND型信号量wait原语为Swait, 定义如下：
Swait (S1, S2, …, Sn) {
if (Si >=1 && … && Sn >= 1) {
//进程所需各项资源都能满足时
for (i = 1; i <= n; ++i) Si--;
}
else { //某些资源不够时的处理
把进程放入第一个小于1的信号量Sj的等待队列Sj.queue，并将程序计数器指向Swait的开始处；
}
}
AND型信号量集signal原语为Ssignal, 其定义如下：
Ssignal (S1, S2, …, Sn) {
for (i = 1; i <= n; ++i)
Si=Si++； //释放占用的资源；
把等待Si的所有进程从等待队列移至就绪队列；
}
}
④信号量集
信号量集机制的适用范围更广，不仅能处理前述信号量机制能处理的问题，还能处理以下情况：
1）需要一次性分配多个同类资源时
2）当资源数量低于某一下限值时，就不予以分配
对AND型信号量加以扩充，即得到更为一般化的信号量集机制：
Swait (S1, t1, d1, …, Sn, tn, dn);
Ssignal (S1, d1, …, Sn, dn);
//ti：分配下限值，如果Si<ti, 不予分配
//di：资源需求值，分配时Si-=di; 释放时Si +=di;
9.经典进程同步问题
1.生产者消费者问题
问题描述：
生产者-消费者问题是对相互合作的进程之间同步问题的一种抽象，例如，在输入和计算进程间，计算进程是消费者；而在计算和打印进程间，计算进程是生产者。
int in=0, out=0;
item buffer[n];
semaphore mutex=1, empty=n, full=0;
void producer() {
do {
produce an item in nextp;
…
wait (empty);
wait (mutex);
buffer(in):=nextp;
in:=(in+1) mod n;
signal(mutex);
signal (full);
} while(TRUE);
}
void consumer() {
do {
wait(full);
wait(mutex);
nextc:=buffer(out);
out:=(out+1) mod n;
signal(mutex);
signal(empty);
consume the item in nextc;
}while(TRUE)
}
void main() {
cobegin
producer(); consumer();
coend
}
2.哲学家进餐问题
问题描述：假设有五个哲学家，他们花费一生的时光思考和吃饭。这些哲学家公用一个圆桌，每个哲学家都有一把椅子。在桌中央有一碗米饭。每个哲学家面前有一只空盘子，每两人之间放一根筷子。当一个哲学家思考时，他与其他同事不交互；当哲学家感到饥饿，就会试图拿起与他最近的两支筷子（他与邻近左、右两人之间的筷子）。当一个饥饿的哲学家拿到两支筷子时才能进餐。当吃完后，他会放下两支筷子，并再次开始思考。
解法1
semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};
semaphore room =4;
int i;
void philosopher (int i);{
while ⑴ {
think( );
wait (room);
wait (chopstick[i]);
wait (chopstick [(i+l) %5]);
eat( );
signal (chopstick [(i+l) % 5]);
signal (chopstick[i]);
signal (room);
}
}
解法2
设chopstick[5]为5 个信号量，初值均为1
Philosopher（i）
while (1) {
思考；
Swait( chopstick[i], chopstick[(i+1) % 5] )；
进食；
Ssignal( chopstick[i], chopstick[(i+1) % 5] )；
}
解法3
semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};
int i;
void philosopher (int i);{
while ⑴ {
think( );
if (i mod 2 ==1) { //奇数号的哲学家必须首先拿左边的筷子
wait(chopstick[i]);
wait(chopstick [(i+l) %5]);
}
else { //偶数号的哲学家必须首先拿右边的筷子
wait (chopstick [(i+l)% 5]);
wait (chopstick[i]);
}
eat( );
signal(chopstick [(i+l) % 5]);
signal(chopstick[i]);
}
}
3.读者写者问题
问题描述：一组读者与一组写者循环访问共享的同一个数据对象。规定：多个读者可以同时读这个数据对象，但决不允许多个写者同时对它进行写操作，也不允许读者、写者同时访问它。如何对读者、写者编程？
读者 Readers:
begin
repeat
wait(rmutex);
if readcount=0 then wait(wmutex);
readcount:=readcount+1;
signal(rmutex);
…
执行读操作;
…
wait(rmutex);
readcount:=readcount-1;
if readcount=0 then singal(wmutex);
singal(rmutex);
until false;
end
写者 Writers：
begin
repeat
wait(wmutex);
执行写操作;
singal(wmutex);
until false;
end
10.独木桥问题
问题描述：一条小河上有一座独木桥，规定每次只允许一人过桥。如果把每个过桥者看作一个进程，为保证安全，请用信号量操作实现正确管理。
解：为临界资源独木桥设置信号量s，初值为1
begin semaphore s=1; cobegin begin wait(s); 过桥； signal(s)； end coend end
独木桥问题拓展：
问题描述：若独木桥任何时刻最多允许2人同方向过桥，如何用信号量实现同步？
int count1=count2=0; semaphore m0=m1=m2=1; semaphore room=2； 方向1的过桥者： begin wait(m1); if(count1==0) wait(m0); count1++; signal(m1); wait(room); 过桥； signal(room)； wait(m1); count1--; if(count1==0) signal(m0); signal(m1); end 方向2的过桥者： begin wait(m2); if(count2==0) wait(m0); count2++; signal(m2); wait(room); 过桥； signal(room)； wait(m2); count2--; if(count2==0) signal(m0); signal(m2); end
进程同步类型的问题很多，具体请参照网上的其他问题。
标签：知识点,操作系统,计算机,signal,chopstick,信号量,semaphore,进程,wait 来源： https://www.cnblogs.com/gujun1998/p/11191372.html