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并发性互斥和同步.pptx
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1、CHAPTER CHAPTER 5 5Concurrency:MutualExclusionandSynchronization(并发性:互斥和同步并发性:互斥和同步并发性:互斥和同步并发性:互斥和同步)Concurrency(并发性)(并发性)(并发性)(并发性)CommunicationamongprocessesSharingofandcompeting(竟争竟争)forresourcesSynchronizationoftheactivitiesofmultipleprocessesAllocationofprocessortimetoprocesserConcurrencyMulti
2、pleapplicationsMultiprogrammingMultiprogrammingStructuredapplicationApplicationcanbeasetofconcurrentApplicationcanbeasetofconcurrentprocessesprocessesOperating-systemstructureOperatingsystemisasetofprocessesorOperatingsystemisasetofprocessesorthreadsthreads5.1PRINCIPLESOFNCURRENCY(并发的原理并发的原理并发的原理并发的
3、原理)DifficultieswithConcurrency1.Sharingglobalresources2.Managementofallocationofresources3.ItbecomeverydifficulttolocateaProgrammingerrorsASimpleExampleprocedure echo;Var out,in:character;begininput(in,keyboard);out:=in;output(out,display);endASimpleExampleProcess P1Process P1 Process P2 Process P2.
4、Input(in,keyboard).Input(in,keyboard).Input(in,keyboard)Input(in,keyboard)Out:=in out:=inOut:=in out:=inOutput(out,display).Output(out,display).Output(out,display)Output(out,display).OperatingSystemConcerns(操作系统关注的问题)(操作系统关注的问题)(操作系统关注的问题)(操作系统关注的问题)Keeptrackofactiveprocesses:PCBKeeptrackofactivepro
5、cesses:PCBAllocateanddeallocateresourcesAllocateanddeallocateresources Processortime:schedulingProcessortime:scheduling Memory:virtualmemoryMemory:virtualmemory FilesFiles I/OdevicesI/OdevicesProtectdataandresourcesProtectdataandresourcesResultofprocessmustbeindependentoftheResultofprocessmustbeinde
6、pendentofthespeedofexecutionofotherconcurrentspeedofexecutionofotherconcurrentprocessesprocesses(应保证进程执行的结果与速度无关)(应保证进程执行的结果与速度无关)(应保证进程执行的结果与速度无关)(应保证进程执行的结果与速度无关)ProcessInteractionProcessesunawareofeachotherProcessesunawareofeachother-Competition-Competition-Mutualexclusion,Deadlock,Starvation-Mut
7、ualexclusion,Deadlock,StarvationProcessesindirectlyawareofeachotherProcessesindirectlyawareofeachother-Cooperationbysharing-Cooperationbysharing-Mutualexclusion,Deadlock,Starvation,Data-Mutualexclusion,Deadlock,Starvation,Datacoherencecoherence(一致性一致性)ProcessdirectlyawareofeachotherProcessdirectlyaw
8、areofeachother-C-Cooperationbycommunicationooperationbycommunication-D-Deadlock,Starvationeadlock,Starvation 表51进程的交互 知道程度关系一个进程对其他进程的影响潜在的控制问题进进程程之之间间不不知知道道对对方方(进程间无工作联系)竞争1 一个进程的结果与其它进程的活动无关2 进程的分时可能会受到影响互斥死锁(可复用的资源)饿死进程间接知道对方进程间接知道对方(如共享对象)通过共享合作1.一个进程的结果可能依赖于从其他进程获得的信息2.进程的分时可能会受到影响互斥死锁(可复用的资源)饿
9、死数据一致性进程直接知道对方进程直接知道对方(它们有可用的通信原语)通过通信合作1.一个进程的结果可能依赖于从其他进程获得的信息 2.进程的分时可能会受到影响死锁(可消费的资源)饿死CompetitionAmongProcessesforResourcesMutualExclusion(互斥互斥)CriticalsectionsCriticalsections(临界区)(临界区)(临界区)(临界区)OnlyoneprogramatatimeisallowedinitsOnlyoneprogramatatimeisallowedinitscriticalsection(criticalsecti
10、on(一次仅允许一个进程在临界区一次仅允许一个进程在临界区一次仅允许一个进程在临界区一次仅允许一个进程在临界区)ExampleonlyoneprocessatatimeisallowedtoExampleonlyoneprocessatatimeisallowedtosendcommandtotheprintersendcommandtotheprinter(critical resource)()(例如一次仅允许一个进程发打印命令例如一次仅允许一个进程发打印命令)Deadlock(死锁)(死锁)StarvationCompetitionAmongProcessesforResourcesDe
11、adlockDeadlock例例如如,有有两两个个进进程程P1P1、P2P2,竞竞争争两两个个资资源源R1R1、R2R2。假设。假设占用占用:P1P1(R2R2)and P2and P2(R1R1)申请申请:P1P1(R1R1)and P2and P2(R2R2)结果:结果:P1P1、P2P2永久等待(死锁)永久等待(死锁)CompetitionAmongProcessesforResourcesStarvationStarvation(饿死)(饿死)例如,有三个进程例如,有三个进程例如,有三个进程例如,有三个进程P1P1P1P1、P2P2P2P2、P3P3P3P3,竞争资源,竞争资源,竞争资
12、源,竞争资源R R R R假设假设假设假设占用占用占用占用:P1P1P1P1(R R R R)申请申请申请申请:P2P2P2P2(R R R R)and P3and P3and P3and P3(R R R R)释放:释放:释放:释放:P1P1P1P1(R R R R)占用占用占用占用:P2P2P2P2(R R R R)申请申请申请申请:P1P1P1P1(R R R R)and P3and P3and P3and P3(R R R R)释放:释放:释放:释放:P2P2P2P2(R R R R)占用占用占用占用:P1P1P1P1(R R R R)结果:结果:结果:结果:P3P3P3P3(饿死)(
13、饿死)(饿死)(饿死)MutualExclusionMechanism互斥机制互斥机制互斥机制互斥机制entry section critical sectionexit section (阅读(阅读P194,图,图5.1)CooperationAmongProcessesbySharing(进程间由于共享合作)(进程间由于共享合作)(进程间由于共享合作)(进程间由于共享合作)WritingmustbemutuallyexclusiveWritingmustbemutuallyexclusive(对写共享变量必须互斥)(对写共享变量必须互斥)(对写共享变量必须互斥)(对写共享变量必须互斥)Cr
14、iticalsectionsareusedtoprovidedataintegrityCriticalsectionsareusedtoprovidedataintegrity(确保数据完整性使用临界区)(确保数据完整性使用临界区)(确保数据完整性使用临界区)(确保数据完整性使用临界区)例如:两个数据保持相等:例如:两个数据保持相等:例如:两个数据保持相等:例如:两个数据保持相等:A=BA=B,初始值相等。,初始值相等。,初始值相等。,初始值相等。P1P1:A=A+1A=A+1;B=B+1B=B+1;P2P2:B=2*BB=2*B;A=2*AA=2*A 当当当当P1P1和和和和P2P2顺序执行
15、,能保证一致。但并发执行,就可顺序执行,能保证一致。但并发执行,就可顺序执行,能保证一致。但并发执行,就可顺序执行,能保证一致。但并发执行,就可能出现能出现能出现能出现ABAB,因此必须采用临界资源管理才能达到数据,因此必须采用临界资源管理才能达到数据,因此必须采用临界资源管理才能达到数据,因此必须采用临界资源管理才能达到数据的一致性。的一致性。的一致性。的一致性。CooperationAmongProcessesbyCommunicationCooperationAmongProcessesbyCommunication(进程间由于通信的合作)(进程间由于通信的合作)(进程间由于通信的合作)
16、(进程间由于通信的合作)BecausenothingissharedbetweenprocessesintheactofpassingmessagesMutualexclusionisnotacontrolrequirementMutualexclusionisnotacontrolrequirementforthissortofcooperation.forthissortofcooperation.PossibletohavedeadlockEachprocesswaitingforamessagefromtheEachprocesswaitingforamessagefromtheoth
17、erprocessotherprocessPossibletohavestarvationTwoprocessessendingmessagetoeachotherTwoprocessessendingmessagetoeachotherwhileanotherprocesswaitsforamessagewhileanotherprocesswaitsforamessageRequirementsforMutualExclusion(互斥的要求)(互斥的要求)1.Onlyoneprocessatatimeisallowedinthecriticalsectionforaresource(一次
18、仅一次仅一次仅一次仅允许一个进程进入临界区允许一个进程进入临界区允许一个进程进入临界区允许一个进程进入临界区)2.Aprocessthathaltsinitsnon-criticalsectionmustdosowithoutinterferingwithotherprocesses(处于非临界区的进程不处于非临界区的进程不处于非临界区的进程不处于非临界区的进程不能干预其它进程能干预其它进程能干预其它进程能干预其它进程)3.NodeadlockorstarvationRequirementsforMutualExclusion(互斥的要求)(互斥的要求)4.Aprocessmustnotbed
19、elayedaccesstoa4.Aprocessmustnotbedelayedaccesstoacriticalsectionwhenthereisnootherprocesscriticalsectionwhenthereisnootherprocessusingit(usingit(当没有进程在临界区时应立即进入当没有进程在临界区时应立即进入当没有进程在临界区时应立即进入当没有进程在临界区时应立即进入)5.Noassumptionsaremadeaboutrelative5.Noassumptionsaremadeaboutrelativeprocessspeedsornumberof
20、processors(processspeedsornumberofprocessors(对相关对相关对相关对相关进程的速度和处理机的数目没有任何要求和限制进程的速度和处理机的数目没有任何要求和限制进程的速度和处理机的数目没有任何要求和限制进程的速度和处理机的数目没有任何要求和限制)6.Aprocessremainsinsideitscriticalsectionfor6.Aprocessremainsinsideitscriticalsectionforafinitetimeonly(afinitetimeonly(一个进程驻留在它的临界区中的一个进程驻留在它的临界区中的一个进程驻留在它的临
21、界区中的一个进程驻留在它的临界区中的时间必须是有限的确时间必须是有限的确时间必须是有限的确时间必须是有限的确)RequirementsforMutualExclusion(互斥的要求)(互斥的要求)空闲让进空闲让进忙则等待忙则等待有限等待有限等待让权等待让权等待ApproachesofMutualExclusion(互斥的方法)(互斥的方法)Software Approaches(软件方法)软件方法)软件方法)软件方法)HardwareSupportSemaphoresMonitorsMessagePassing5.2 Software ApproachesMemoryaccesslevelA
22、ccesstothesamelocationinmainmemoryareserializedbysomesortofmemoryarbiterDekkersAlgorithmPetersonsAlgorithmDekkersAlgorithm:FirstAttemptBusyWaitingProcessisalwayscheckingtoseeifitcanProcessisalwayscheckingtoseeifitcanenterthecriticalsectionenterthecriticalsectionProcesscandonothingproductiveuntilitPr
23、ocesscandonothingproductiveuntilitgetspermissiontoenteritscriticalsectiongetspermissiontoenteritscriticalsectionDekkersAlgorithm:FirstAttempt(第(第1种尝试)种尝试)图图图图5.25.25.25.2“爱斯基摩人的小屋协议爱斯基摩人的小屋协议爱斯基摩人的小屋协议爱斯基摩人的小屋协议”(P198P198P198P198)门门门门和和和和小小小小屋屋屋屋很很很很小小小小,每每每每次次次次只只只只能能能能容容容容纳纳纳纳一一一一个个个个人人人人进进进进入入入入,
24、小屋内有一个标志黑板小屋内有一个标志黑板小屋内有一个标志黑板小屋内有一个标志黑板进进进进程程程程申申申申请请请请进进进进入入入入临临临临界界界界区区区区,必必必必须须须须首首首首先先先先进进进进入入入入小小小小屋屋屋屋并并并并检检检检查黑板标志是否是它查黑板标志是否是它查黑板标志是否是它查黑板标志是否是它 是是,离离 开开 小小 屋屋,进进 入入 临临 界界 区区,执执 行行 完完 毕毕,退退 出出 临临 界界 区区,并返回小屋,修改黑板标志为其他进程并返回小屋,修改黑板标志为其他进程 否否,反反复复进进入入小小屋屋,检检查查黑黑板板标标志志,直直到到标标志志是是它它自自己己小黑版指示P1可进
25、varturn:0.1;共享的全局变量共享的全局变量PROCESS0PROCESS1whileturn0donothing;whileturn1donothing;turn:=1;turn:=0;解析解析解析解析 保证了互斥,但存在问题:进程保证了互斥,但存在问题:进程保证了互斥,但存在问题:进程保证了互斥,但存在问题:进程“忙等忙等忙等忙等”进入临界进入临界进入临界进入临界区;若黑板标志修改失败,其他进程区;若黑板标志修改失败,其他进程区;若黑板标志修改失败,其他进程区;若黑板标志修改失败,其他进程永久阻塞永久阻塞永久阻塞永久阻塞DekkersAlgorithmSecondAttempt(第
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- 并发 性互斥 同步
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