第2章進(jìn)程同步與通信-3

2.6進(jìn)程通信進(jìn)程通信是指進(jìn)程之間的信息交換交換的信息量一個(gè)狀態(tài)或數(shù)值上千個(gè)字節(jié)2.6.1進(jìn)程通信分類（1）低級(jí)通信：進(jìn)程的互斥和同步。（2）高級(jí)通信：指用戶可直接利用os提供的一組通信命令，高效地傳送大量數(shù)據(jù)的一種通信方式，對(duì)用戶透明。（2）高級(jí)通信分類1、共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)

(1)共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式進(jìn)程之間通過某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如緩沖池進(jìn)行通信屬于低級(jí)通信方式；(2)共享存儲(chǔ)區(qū)通信方式為了傳送大量信息，在存儲(chǔ)器中劃出一塊共享存儲(chǔ)區(qū)，進(jìn)程可通過對(duì)共享存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行讀或?qū)憗韺?shí)現(xiàn)通信，屬于高級(jí)通信方式。2、管道通信管道通信方式建立在文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用共享文件來連接兩個(gè)相互通信的進(jìn)程，此共享文件稱為管道(Pipe)。管道是指用于連接一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程，以實(shí)現(xiàn)它們之間通信的共享文件寫進(jìn)程讀進(jìn)程管道管道通信

必需的協(xié)調(diào)能力(1)互斥當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在對(duì)管道進(jìn)行讀／寫操作時(shí)，另一進(jìn)程必須等待。(2)同步當(dāng)寫(輸入)進(jìn)程把一定量的數(shù)據(jù)(如4K)寫入管道后，便去睡眠等待，直到讀(輸出)進(jìn)程取走數(shù)據(jù)后再把它喚醒。當(dāng)讀進(jìn)程發(fā)現(xiàn)管道空時(shí)也應(yīng)睡眠等待，直至寫進(jìn)程將消息寫入管道后，才將它喚醒．(3)判別對(duì)方是否存在，只有確定了對(duì)方存在時(shí)，方能進(jìn)行通信。3、消息傳遞系統(tǒng)信息交換的單位是消息或報(bào)文，分成兩種：直接通信方式間接通信方式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中將消息稱為報(bào)文。

2.6.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方式

1、直接通信方式發(fā)送進(jìn)程直接把消息發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程都以顯式方式分別提供對(duì)方的標(biāo)識(shí)符。系統(tǒng)提供兩條通信原語(yǔ)

Send(Receiver,message);Receive(Sender,message);例如:Send(P2,m1);Receive(P1,m1);解決生產(chǎn)者一消費(fèi)者問題repeat…produceaniteminnextp;…

Send(consumer,nextp);untilfalse;

repeat

Receive(producer,nextp);…Consumertheiteminnextc;untilfalse;2、間接通信方式進(jìn)程之間的通信需要通過某種中間實(shí)體，該實(shí)體用來暫存發(fā)送進(jìn)程發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程的消息；接收進(jìn)程則從該實(shí)體中取出對(duì)方發(fā)送給自己的消息。這種中間實(shí)體稱為信箱。消息在信箱中可以安全地保存，只允許核準(zhǔn)的目標(biāo)用戶隨時(shí)讀取，故可實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)通信。信箱的創(chuàng)建和撤消進(jìn)程用信箱創(chuàng)建原語(yǔ)來建立一個(gè)新信箱。創(chuàng)建者進(jìn)程應(yīng)給出信箱名字、信箱屬性(公用、私用或共享)；對(duì)于共享信箱，還應(yīng)給出共享者的名字。用信箱撤消原語(yǔ)來撤消。消息的發(fā)送與接收Send(mailbox,message)：將一個(gè)消息發(fā)送到指定信箱；Receive(mailbox,message)從指定信箱中接收一個(gè)消息信箱分類私用信箱。公用信箱。共享信箱。私用信箱用戶進(jìn)程建立，作為該進(jìn)程的一部分。擁有者有權(quán)讀消息，其他用戶只能發(fā)送。采用單向通信鏈路。進(jìn)程結(jié)束時(shí)信箱也消失。公用信箱它由OS創(chuàng)建。提供給系統(tǒng)中的所有核準(zhǔn)進(jìn)程使用。進(jìn)程既發(fā)送也可取出。采用雙向通信鏈路的信箱來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)運(yùn)行期間始終存在。共享信箱由某進(jìn)程創(chuàng)建，創(chuàng)建時(shí)提供共享進(jìn)程(用戶)的名字。信箱的擁有者和共享者，都有權(quán)從信箱中取走發(fā)送給自己的消息。信箱通信時(shí)，發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程的關(guān)系：一對(duì)一關(guān)系。建立一條專用的通信鏈路。多對(duì)一關(guān)系。服務(wù)進(jìn)程與多個(gè)用戶進(jìn)程之間進(jìn)行交互，又稱客戶／服務(wù)器交互。一對(duì)多關(guān)系。一個(gè)發(fā)送進(jìn)程與多個(gè)接收進(jìn)程進(jìn)行交互，使發(fā)送進(jìn)程可用廣播形式，向接收者發(fā)送消息。多對(duì)多關(guān)系。建立一個(gè)公用信箱，多個(gè)進(jìn)程投遞并取走自己的消息。消息緩沖隊(duì)列-示意圖2、消息傳遞系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)消息緩沖隊(duì)列-數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義//消息緩沖區(qū)定義structmessage_buffer{charsender[30]; /*發(fā)送者進(jìn)程標(biāo)識(shí)符*/intsize; /*消息長(zhǎng)度*/chartext[200]; /*消息正文*/structmessage_buffer*next; //指向下一個(gè)消息緩沖區(qū)的指針}//PCB中有關(guān)通信的數(shù)據(jù)項(xiàng)structprocess_control{structmessage_buffer*mq;/*消息隊(duì)列隊(duì)首指針*/

semaphoremutex=1; /*消息隊(duì)列互斥信號(hào)量，初值為1*/

semaphoresm=0;/*消息隊(duì)列同步信號(hào)量，記錄消息的個(gè)數(shù).初值為0*/}charreceiver[30];structmessage_buffera;voidsend(receiver,a)//receiver為接收進(jìn)程標(biāo)識(shí)符，a為發(fā)送區(qū)首址{structmessage_bufferi;structprocess_controlj;getbuf(a.size,i);/*根據(jù)發(fā)送區(qū)消息a的長(zhǎng)度申請(qǐng)一緩沖區(qū)i*/i.sender=a.sender;//將發(fā)送區(qū)a的內(nèi)容復(fù)制到消息緩沖區(qū)i；i.size=a.size;copy(i.text,a.text);i.next=0;getid(PCB_set,receiver,j);/*獲得接收進(jìn)程的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符j*/P(j.mutex);Insert(j.mq,i);/*將消息緩沖區(qū)i掛到的消息隊(duì)列j.mq上*/

V(j.mutex);V(j.sm);//喚醒接收進(jìn)程，通知它可以接收消息了}消息緩沖隊(duì)列-發(fā)送原語(yǔ)消息緩沖隊(duì)列-接收原語(yǔ)

接收進(jìn)程調(diào)用接收原語(yǔ)receive(b)，從自己的消息緩沖隊(duì)列mq中摘下第一個(gè)消息緩沖區(qū)i，并將其中的數(shù)據(jù)復(fù)制到以b為首址的指定消息接收區(qū)內(nèi)。接收原語(yǔ)描述如下:

structmessage_bufferb;voidreceive(b){structmessage_bufferi;structprocess_controlj;j=internal_name();/*接收進(jìn)程的內(nèi)部標(biāo)識(shí)符*/P(j.sm);P(j.mutex);remove(j.mq,i);/*從消息隊(duì)列中摘下第一個(gè)消息緩沖區(qū)*/

V(j.mutex);b.sender=i.sender;//將消息緩沖區(qū)i中信息復(fù)制到接收區(qū)bb.size=i.size;copy(b.text,i.text);releasebuf(i);釋放消息緩沖區(qū)}2.4.5管程機(jī)制引入的原因：

●信號(hào)量機(jī)制雖然既方便又有效地解決了進(jìn)程同步問題，但要求訪問臨界資源的進(jìn)程自備同步操作wait(s)、signal(s)，使得大量的同步操作分散在各個(gè)進(jìn)程中，給進(jìn)程的管理帶來不便，并會(huì)因同步操作使用不當(dāng)導(dǎo)致死鎖?！馠oare和Hanson提出了管程的概念把分散在各個(gè)進(jìn)程中的與同一共享資源有關(guān)的同步處理從各進(jìn)程中抽出并集中起來。見書P57●Hansan為管程所下的定義是：一個(gè)管程定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和能為并發(fā)進(jìn)程所執(zhí)行（在該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上）的一組操作，這組操作能同步進(jìn)程和改變管程中的數(shù)據(jù)?！窆艹?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+操作+對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中變量的初始化●1、管程的定義圖2-15管程的示意圖管程相當(dāng)于圍墻，它把共享變量和對(duì)它進(jìn)行操作的若干過程圍了起來，所有進(jìn)程要訪問臨界資源時(shí)，都必須經(jīng)過管程(相當(dāng)于通過圍墻的門)才能進(jìn)入，而管程每次只準(zhǔn)許一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入管程，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程互斥。管程的基本特性：（1）局部于管程的數(shù)據(jù)只能被局部于管程內(nèi)的過程所訪問。（2）一個(gè)進(jìn)程只有通過調(diào)用管程內(nèi)的過程才能進(jìn)入管程訪問共享數(shù)據(jù)。（3）每次僅允許一個(gè)進(jìn)程在管程內(nèi)執(zhí)行某個(gè)內(nèi)部過程。管程是一個(gè)語(yǔ)言成分，所以管程的互斥訪問完全由編譯程序在編譯時(shí)自動(dòng)添加，無(wú)需程序員關(guān)注，而且保證正確。打磕睡的理發(fā)師問題

理發(fā)店有一名理發(fā)師，一把理發(fā)椅，還有N把供等候理發(fā)的顧客坐的普通椅子。如果沒有顧客到來，理發(fā)師就坐在理發(fā)椅上打磕睡。當(dāng)顧客到來時(shí)，就喚醒理發(fā)師。如果顧客到來時(shí)理發(fā)師正在理發(fā)，顧客就坐下來等待。如果N把椅子都坐滿了，顧客就離開該理發(fā)店去別處理發(fā)。waiting：對(duì)占用沙發(fā)的顧客計(jì)數(shù)，該變量將被多個(gè)顧客進(jìn)程互斥地訪問并修改，設(shè)mutex信號(hào)量。同步關(guān)系：1、如果沒有顧客，理發(fā)師就打磕睡，有顧客等待，喚醒理發(fā)師。2、理發(fā)師理發(fā)，顧客等待。理發(fā)師理完發(fā)，下一個(gè)顧客可以去。用信號(hào)量解決打磕睡的理發(fā)師問題voidcustomer() //顧客進(jìn)程{P(mutex);if(waiting<CHAIRS)//如果有空位，顧客等待 {waiting++;

V(customers); //喚醒理發(fā)師

V(mutex);

P(barners);//如果理發(fā)師正在理發(fā)，則顧客等待 get_haircut(); }else //如果沒有空位，則顧客離開

V(mutex); }#defineCHAIRS5 //為等候的顧客準(zhǔn)備的座椅數(shù)

semaphorecustomers=0;

semaphorebarners=0;

semaphoremutex=1;

intwaiting;//對(duì)占用沙發(fā)的顧客計(jì)數(shù)voidbarber() //理發(fā)師進(jìn)程{while(true){P(customers);//如果沒有顧客，理發(fā)師就打磕睡

P(mutex);//互斥進(jìn)入臨界區(qū)

waiting--;V(barners);//理發(fā)師準(zhǔn)備理發(fā)了

V(mutex);cut_hair();//理發(fā)}}第二章總結(jié)進(jìn)程同步與通信1、進(jìn)程同步的基本概念（1）臨界資源與臨界區(qū)（2）同步：同步是進(jìn)程間共同完成一項(xiàng)任務(wù)時(shí)直接發(fā)生相互作用的關(guān)系。（3）互斥：互斥是并發(fā)執(zhí)行的多個(gè)進(jìn)程由于競(jìng)爭(zhēng)同一資源而產(chǎn)生的相互排斥的關(guān)系。（4）同步機(jī)制遵循的準(zhǔn)則。2.實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)互斥的基本方法軟件實(shí)現(xiàn)方法;硬件實(shí)現(xiàn)方法。3.信號(hào)量（1）整型信號(hào)量（2）記錄型信號(hào)量：利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)同步與互斥（3）And型信號(hào)量4.經(jīng)典同步問題（1）生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題;（2）讀者-寫者問題;（3）哲學(xué)家進(jìn)餐問題。5.進(jìn)程通信PV操作是低級(jí)通信方式；高級(jí)通信：共享存儲(chǔ)系統(tǒng);消息傳遞系統(tǒng);管道通信。6．管程（1）基本概念（2）組成（3）基本特性

練習(xí)題1、如果有三個(gè)進(jìn)程共享同一程序段，而且每次最多允許兩個(gè)進(jìn)程進(jìn)入該程序段，則信號(hào)量的初值應(yīng)設(shè)置為多少？3 B.2 C.1 D.02、設(shè)有四個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)資源，如果每次只允許一個(gè)進(jìn)程使用該資源，則用P、V操作管理時(shí)信號(hào)量S的可能取值是多少？

A.3,2,1,0,-1 B.2,1,0,-1,-2 C.1,0,-1,-2,-3 D.4,3,2,1,03、臨界區(qū)是？ A.一個(gè)緩沖區(qū) B.一段數(shù)據(jù)區(qū) C.一段程序

D.棧BCC4、在單處理機(jī)上，如果系統(tǒng)中有n個(gè)進(jìn)程，則就緒隊(duì)列中的進(jìn)程個(gè)數(shù)最多是多少個(gè)？

A.1個(gè) B.n+1個(gè) C.n個(gè) D.n-1個(gè)5、在單處理機(jī)上，如果系統(tǒng)中有n個(gè)進(jìn)程，則等待隊(duì)列中的進(jìn)程個(gè)數(shù)最多是多