專題二 進程管理 之進程的同步與通信
一. 名詞解釋
（一）進程的概念
多道程序： 在計算機內存中同時存放多道相互獨立的程序，使它們在管道程序的控制下，相互交替運行，這些程序在計算機系統中同處於運行狀態且共享計算機系統資源
進程： 進程是具有獨立功能的程序關於某個數據集合上的一次運行活動，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位
進程控制塊（PCB）： 一個用來記錄進程的外部特徵，描述進程的運動變化過程的數據結構
進程映像： 由程序，數據集合，棧和PCB組成
線程： 進程任務集中的不可再分的子任務，是進程執行運算的最小單位，是執行調度的基本單位
（二）進程的同步
進程的互斥： 指多個進程不能同時使用一個資源
進程的同步： 進程之間的協作
臨界資源： 一次僅允許一個進程使用的共享資源
臨界區： 在每個進程中訪問臨界資源的程序段
原語： 一組要麼不間斷地執行，要麼都不執行的原子操作
信號量： 記錄進程已釋放的共享資源的量
管程： 一個數據結構和能爲併發進程在其上執行的一組操作，這組操作能使進程同步和改變管程中的數據
（三）進程的通信（三種方式）
共享存儲： 在內存中分配一片空間作爲共享存儲區，需要進行通信的各個進程把共享存儲區附加到自己的地址空間，然後同正常操作對共享區中的共享數據進程讀或寫
管道文件： 連接兩個命令的一個打開文件（其中一個命令向文件中寫入數據，另一個命令向文件讀出數據）
消息傳遞： 以消息爲單位在進程間進行數據交換
二. 進程的闡述
1.多道程序的特點：
（1）失去封閉性；
（2）程序與計算失去一一對應；
（3）程序併發執行時產生相互制約的關係；
2.進程的特點：
（1）併發性：是進程最基本的特徵
（2）動態性：是進程最基本的特徵
（3）調度性：進程是資源調度的基本單位
（4）異步性：程序之間執行的時間順序是不同的
（5）結構性：（PCB）
3.進程的狀態：
（1）運行狀態：當前進程已分配到CPU
（2）就緒狀態：進程已具備運行條件，但未被分配到CPU
（3）阻塞狀態：進程因等待某種事件發生而暫時不能運行的狀態
三. 進程的通信
（1）低級進程通信： 普通的進程同步與互斥操作
（2）高級進程通信：
| - | 共享存儲 | 管道文件 | 消息傳遞 |
|---|---|---|---|
| 優點 | 快捷 | 明確消息接受與發送方 | 點到點的傳送 |
| 缺點 | 不明確接受方與發送方存在安全隱患 | 必須指定接受進程的 ID |
四. 進程的同步
問題1：生產者 - 消費者問題
問題描述： 若干進程通過有限的共享緩衝區交換數據。其中，“生產者”進程不斷寫入，而“消費者”進程不斷讀出；共享緩衝區共有N個；任何時刻只能有一個進程可對共享緩衝區進行操作
問題分析：
進程的類別：從緩衝區取數據的消費者；從緩衝區存數據的生產者；
進程的關係：生產者與消費者進程關係屬於同步關係；生產者與生產者訪問緩衝區屬於互斥關係；消費者與消費者訪問緩衝區屬於互斥關係
信號量的設置：
Semaphore empty ：表示可供使用的緩衝區的個數，初始化爲緩衝區存儲單元的個數；
Semaphore full：表示可供使用的緩衝區數，初始化爲 0；
Semaphore mutex：互斥信號量，初始化爲1；
僞代碼示例：
生產者進程
Producer ()
begin:
P(empty);//判斷緩衝區是否滿了
P(mutex);//互斥訪問緩衝區
Produce data;//生產者生產數據，放入緩衝區
V(mutex);
V(full);
end
消費者進程
Consumer ()
begin:
P(full);//判斷緩衝區是否爲空
P(mutex);//互斥訪問緩衝區
Produce data;//消費者生產數據，從緩衝區取出
V(mutex);
V(empty);
end
變式：假定系統有三個併發進程 read, move, print 共享緩衝器 B1 和 B2，進程 read 負責輸入設備上讀信息，每讀出一個記錄後把它放到緩衝器 B1 中，進程 move 從緩衝器 B1 中取出一個記錄，加工後存入緩衝器 B2 ，進程 print 將 B2 中的記錄取出打印輸出，緩衝器 B1 和 B2 每次只能存放一個記錄，要求三個進程協調完成任務，是打印出來的與讀入的記錄的個數，次序完全一樣。請用 P，V 操作，寫出它們的併發程序
– 解：
進程類別 ：read，move，print；
進程之間的關係：read之間互斥關係，move之間互斥關係，print之間互斥關係，read與move之間同步關係，move與print之間同步關係；信號量設置：
Semaphore empty1：B1緩存中空閒位置數，初始化爲1；
Semaphore empty2：B2緩存中空閒位置數，初始化爲1；
Semaphore full1：B1緩衝中存放的數據的數，初始化爲0；
Semaphore full2：B2緩衝中存放的數據的數，初試化爲0；
僞代碼示例：
/* read */
read()
begin:
read_data();//讀取數據
P(empty1);
load_to_B1();//將讀取的數據讀入B1中
V(full1);
end
/* move */
move()
begin:
P(full1);
Scratch_data();//從 B1 取數據
V(empty1);
P(empty2);
load_to_B2();//加工數據後寫入 B2
V(full2);
end
/* print */
print()
begin:
P(full2);
print_data();//打印 B2 的數據
V(empty2);
end
問題2：讀者 - 寫者問題
問題描述： 對共享資源的讀寫操作，任何時刻“寫者”最多允許一個，而“讀者”則允許多個
問題分析：
進程類別：讀者；寫者
進程關係：讀寫互斥；寫寫互斥；讀讀允許
信號量設置：
Semaphore rw =1 ：用於實現對文件的互斥訪問，表示當前是否有進程在訪問共享文件
int count = 0：用來記錄當前有幾個讀進程在訪問文件
Semaphore mutex = 1：用於保證對count變量互斥訪問;
Semaphore w = 1：用於實現“寫優先”
僞代碼示例：
讀者進程
Reader()
begin:
P(w);
P(mutex);
if(count == 0)
P(rw);
count++;
V(mutex);
V(w);
Read File;
P(mutex);
count--;
if(count == 0)
V(rw);
V(mutex);
end
寫者進程
Writer()
begin:
P(w);
P(rw);
Write File;
V(rw);
V(w);
end
注意事項：
（1）在此算法當中，連續進入的多個讀者可以同時讀文件；寫者和其他進程不能同時訪問文件
（2）寫者不會飢餓，但也並不是真正意義的寫優先，而是相對公平的先來先服務原則
附：參考文獻
[1] 操作系統原理 機械工業出版社 第二版 孟慶昌 張志華
[2] 參考慕課：西安交通大學 軟件學院 田麗華（副教授）
[3] 2020年 王道考研 – 操作系統