操作系統(tǒng)管程機制課件

2.管程的定義

Hansen為管程下的定義是：“一個管程(monitor)定義了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和并發(fā)進程在該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上執(zhí)行的一組操作，這組操作用來實現(xiàn)進程間的同步和改變管程中的數(shù)據(jù)”。用管程管理循環(huán)緩沖區(qū)時，要給出管程名稱，給出與所管理的共享資源（緩沖區(qū)）有關的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，給出在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上執(zhí)行的一組操作，以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化代碼。如圖示。局部數(shù)據(jù)、條件變量、一組操作都屬于定義性質(zhì)的，初始化代碼才是真正的管程體。8.4管程機制

第1頁/共28頁用管程管理循環(huán)緩沖區(qū)時管程的定義。8.4管程機制

第2頁/共28頁局部數(shù)據(jù)和條件變量(2)條件變量是一種特殊變量，當進程在管程定義的操作中使用共享資源時，若無法繼續(xù)運行，就在某個條件變量上執(zhí)行wait()操作等待，將管程讓給等候在管程外的進程使用，直等到有進程在該條件變量上做signal()操作才被喚醒。(1)局部數(shù)據(jù)是管程管理的共享資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是對共享資源的抽象。(3)條件變量不是計數(shù)器，也不像信號量那樣對信號進行累計。若向有關條件變量發(fā)送信號(即調(diào)用signal()操作)，而在該條件變量上沒有等待的進程，那么信號就丟失。8.4管程機制

第3頁/共28頁(2)管程中定義的函數(shù)分兩類：外部函數(shù)是那些進程可從外部調(diào)用的函數(shù)，是進程進入管程的入口；內(nèi)部函數(shù)是只能由管程內(nèi)的函數(shù)調(diào)用的函數(shù)，進程不知道它們的存在，不能調(diào)用它們。建立在局部數(shù)據(jù)和條件變量上的一組操作(1)管程管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只能由在管程內(nèi)部定義的函數(shù)訪問，管程外部的函數(shù)不能作用在它們上面。(3)管程猶如一堵“圍墻”，把共享變量代表的資源及對資源的操作圍圈在管程內(nèi)。進程要使用共享資源，只有通過管程提供的入口（即外部函數(shù)）才能夠進入管程。另外管程一次只允許一個進程進入，以此保證對資源互斥地訪問。8.4管程機制

第4頁/共28頁

管程管理的共享資源在使用前需要初始化，管程中的初始化代碼部分完成這樣的功能。由于前面兩個部分給出的都是相關的定義，因此初始化代碼是管程的管程體。管程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化代碼8.4管程機制

第5頁/共28頁右側(cè)是組成管程的三個部分，入口處的外面有請求進入管程的進程隊列。左側(cè)的管程等待區(qū)是各種等待隊列。管程內(nèi)部針對不同的條件變量，設置各種等待隊列，以區(qū)分不同的等待原因。這些等待隊列都在該管程的等待區(qū)里。條件c1隊列cwait(c1)條件cn隊列cwait(cn)緊急隊列csignal局部數(shù)據(jù)(共享資源或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))條件變量操作1：操作k：初始化代碼請求進入管程隊列入口退出管程等待區(qū)：管程：管程的結(jié)構(gòu)8.4管程機制

第6頁/共28頁在執(zhí)行管程中定義的操作時，會因執(zhí)行signal(ci)而將某個進程從條件變量ci的等待隊列里喚醒。由于這些被喚醒的進程已經(jīng)在管程中執(zhí)行了部分任務，它們理應有比那些還沒有進入管程的進程（即管程入口處請求進入的進程）優(yōu)先得到執(zhí)行的權利。因此，常把這些進程排成“緊急隊列”。條件c1隊列cwait(c1)條件cn隊列cwait(cn)緊急隊列csignal局部數(shù)據(jù)(共享資源或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))條件變量操作1：操作k：初始化代碼請求進入管程隊列入口退出管程等待區(qū)：管程：8.4管程機制

第7頁/共28頁例8-7：利用例8-6管理緩沖區(qū)的管程，解決“生產(chǎn)者-消費者”問題。

在生產(chǎn)者進程里，由函數(shù)produce(x)生產(chǎn)一個產(chǎn)品，暫時放在變量x中。然后調(diào)用管程提供的入口函數(shù)append(x)，試圖把x里的產(chǎn)品存放到緩沖區(qū)去，控制進入到管程buffer。8.4管程機制

第8頁/共28頁

append(x)檢查緩沖區(qū)計數(shù)器，在in的指示下，把產(chǎn)品放到緩沖區(qū)指定位置。執(zhí)行signal(empty)時，由于沒有等待的消費者，故什么也不做就結(jié)束生產(chǎn)者進程的執(zhí)行。若在append(x)還未執(zhí)行signal(empty)時，有生產(chǎn)者或消費者進程到來，那么這些進程只能在管程外的等待進入隊列里排隊，等到執(zhí)行signal(empty)后，才一個個地進入管程，從而保證使用管程管理資源的互斥性。利用管程，解決“生產(chǎn)者-消費者”問題。

8.4管程機制

第9頁/共28頁若用完了n個緩沖區(qū)的位置。假定生產(chǎn)了第n+1個產(chǎn)品，并通過函數(shù)append(x)進入管程。這時，由于“count==N”成立，因此做操作“wait(full)”，該生產(chǎn)者進程就在有關full的條件變量隊列里等待喚醒。利用管程，解決“生產(chǎn)者-消費者”問題。

8.4管程機制

第10頁/共28頁

進入管程的消費者進程首先調(diào)用管程的take(x)操作，以便從緩沖區(qū)里取出產(chǎn)品。8.4管程機制

第11頁/共28頁8.2.1實現(xiàn)互斥的硬件方法

1.中斷禁止

所謂“中斷禁止”，是指進程以禁止中斷的方法，構(gòu)成臨界區(qū)的進入?yún)^(qū)；以開中斷的方法，構(gòu)成臨界區(qū)的退出區(qū)。8.2實現(xiàn)互斥的方法討論

由于禁止中斷后，時鐘中斷和其他中斷都遭封殺，就不會發(fā)生CPU進行進程切換的事情。所以，通過中斷禁止的辦法，完全不必擔心別的進程會進入臨界區(qū)。這時程序的結(jié)構(gòu)如圖所示。禁止中斷對于操作系統(tǒng)來說是實現(xiàn)互斥的一項很有用的技術。在系統(tǒng)內(nèi)核中，利用它來保證訪問共享資源的安全是方便的。第12頁/共28頁

由于禁止中斷后，時鐘中斷和其他中斷都遭封殺，就不會發(fā)生CPU進行進程切換的事情。所以，通過中斷禁止的辦法，完全不必擔心別的進程會進入臨界區(qū)。這時程序的結(jié)構(gòu)如圖所示。

8.2實現(xiàn)互斥的方法討論

第13頁/共28頁

一些計算機中有專門指令，功能是將內(nèi)存單元的內(nèi)容讀到寄存器中，然后往該單元里寫入一個非零值，且讀和寫操作是不可分割（即在一個指令周期內(nèi)完成）。這種指令稱為“測試并上鎖(TSL)”。格式是：

TSLR,x8.2實現(xiàn)互斥的方法討論

2.專用機器指令

第14頁/共28頁

程序中可利用TSL指令形成臨界區(qū)的進入?yún)^(qū)，確保進程臨界區(qū)間的執(zhí)行是互斥的。如圖所示是匯編語言程序中指令TSL的具體安排。

圖中通過指令TSL把變量x里當前值讀入寄存器R，同時把變量x設置為1。這樣，寄存器R里保存的是變量x的原值，x的新值為1。8.2實現(xiàn)互斥的方法討論

指令： CMPR,#1 JNEenter_section用于測試到變量x的原先值為1時，表明已有進程在其臨界區(qū)里，別的進程就不能進入；只有在測試到變量x的原先值為0時，請求加入臨界區(qū)的進程才能夠進入它的臨界區(qū)。也就是說，變量x起到一把“鎖”的作用。

由指令MOVEx,#0完成退出臨界區(qū)的功能，即把變量x設置為0。只有把“鎖”x打開了，別的進程才可有機會進入自己的臨界區(qū)。

利用指令TSL確實能夠保證臨界區(qū)的互斥，其缺點是當已有進程在臨界區(qū)里時，欲進入臨界區(qū)的進程就必須不斷地去循環(huán)執(zhí)行TSL指令和測試寄存器R的值，從而形成所謂的“忙等待”。第15頁/共28頁8.2.2實現(xiàn)互斥的軟件方法

8.2實現(xiàn)互斥的方法討論

第16頁/共28頁如圖是用類C語言描述的Peterson給出①進入臨界區(qū)的方法：enter_section()

②退出臨界區(qū)的方法：

exit_section()。8.2實現(xiàn)互斥的方法討論

第17頁/共28頁在算法里，用兩個共享的量控制進程進入臨界區(qū)：由變量turn的取值是0還是1，表示現(xiàn)在輪到哪個進程進入臨界區(qū)；由數(shù)組元素interested[]，它以進程號（0或1）為下標，表示該進程是否有興趣進入臨界區(qū)。8.2實現(xiàn)互斥的方法討論

第18頁/共28頁8.2實現(xiàn)互斥的方法討論

Peterson算法是正確的，但遺憾的是它也存在忙等待的缺點。第19頁/共28頁8.5高級進程通信

用P、V操作實現(xiàn)的通信，稱為進程間的低級通信。為使進程間能真正交換數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)設計有高級通信命令，提供給用戶在程序一級使用。只要準備好所需的參數(shù)，直接調(diào)用它們就能在進程間傳遞大量信息。8.5.1消息緩沖通信

消息緩沖通信是一種直接通信方式，基本思想是消息發(fā)送者在自己的消息發(fā)送區(qū)形成消息，向系統(tǒng)申請消息緩沖區(qū)，把數(shù)據(jù)從消息發(fā)送區(qū)移到消息緩沖區(qū)中。通過發(fā)送命令，把這個消息緩沖區(qū)直接發(fā)送到消息接收者的消息隊列里。接收者從自己的消息隊列上摘下消息緩沖區(qū)，把里面的數(shù)據(jù)移到自己的消息接收區(qū)里，釋放消息緩沖區(qū)。第20頁/共28頁為實現(xiàn)消息緩沖通信，要解決如下問題：

(1)開辟消息緩沖區(qū)，每個消息緩沖區(qū)的構(gòu)成是：發(fā)送消息的進程名或標識name；發(fā)送消息的長度size；發(fā)送消息的正文內(nèi)容text；下一個消息緩沖區(qū)的指針nPtr。(2)系統(tǒng)要提供發(fā)送消息和接收消息的系統(tǒng)調(diào)用命令。比如發(fā)送命令為Send，接收命令為Receive。(3)進程PCB中增設管理消息隊列的內(nèi)容，它們是：消息隊列的隊首指針hPtr；mutex——在發(fā)送和接收中，Send和Receive都要操作，保證對進程消息隊列進行互斥操作的信號量mutex，初值為1。8.5高級進程通信

第21頁/共28頁系統(tǒng)中兩進程間進行直接數(shù)據(jù)傳送的通信過程

8.5高級進程通信

第22頁/共28頁8.5高級進程通信

發(fā)送消息命令Send的工作步驟(1)向系統(tǒng)申請一個消息緩沖區(qū)；(2)填寫消息緩沖區(qū)，并將消息發(fā)送區(qū)里的內(nèi)容送入緩沖區(qū)；(3)根據(jù)接收進程名B，找到它的PCB，把消息緩沖區(qū)鏈入它的消息隊列隊尾。第23頁/共28頁8.5高級進程通信

接收消息的命令Receive的工作步驟(1)從自己的消息隊列上摘下第1個消息緩沖區(qū)；(2)將消息緩沖區(qū)里的內(nèi)容送入消息接收區(qū)；(3)釋放所占用的消息緩沖區(qū)。第24頁/共28頁Receive的處理流程Send的處理流程8.5高級進程通信

第25頁/共28頁8.5.2信箱通信

信箱通信也稱間接通信，指進程間通過信箱來傳遞消息?；舅枷胧且粋€進程與另一個進程進行通信時，先創(chuàng)建鏈接這兩個進程的信箱。然后，發(fā)送者把消息投入與接收者相連的信箱，接收者從信箱里接收所需要的消息。信箱由