《os進(jìn)程同步》課件

操作系統(tǒng)進(jìn)程同步操作系統(tǒng)中進(jìn)程同步是一個(gè)重要的概念。進(jìn)程同步確保了多個(gè)并發(fā)進(jìn)程之間的協(xié)作和資源共享。通過合理的同步機(jī)制,可以避免死鎖、饑餓等問題的發(fā)生。課程簡介課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生將深入理解操作系統(tǒng)中進(jìn)程同步的概念、必要性和實(shí)現(xiàn)方式,掌握常見的進(jìn)程同步機(jī)制。課程內(nèi)容本課程將系統(tǒng)地介紹進(jìn)程同步的基本原理,包括臨界區(qū)問題、互斥條件、信號(hào)量、生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題等。并深入探討死鎖的預(yù)防、避免和檢測(cè)。教學(xué)方式采用理論講授、案例分析和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式,幫助學(xué)生深入理解進(jìn)程同步的概念和機(jī)制。學(xué)習(xí)收獲學(xué)完本課程,學(xué)生將掌握進(jìn)程同步的核心知識(shí),具備獨(dú)立分析和解決操作系統(tǒng)中進(jìn)程同步問題的能力。進(jìn)程同步的概念進(jìn)程同步是指多個(gè)進(jìn)程協(xié)調(diào)工作以保證執(zhí)行的正確性。它解決了進(jìn)程間訪問共享資源時(shí)可能出現(xiàn)的競(jìng)爭條件和死鎖問題。同步機(jī)制確保了進(jìn)程執(zhí)行的正確順序,避免了資源訪問沖突。常見的同步機(jī)制包括信號(hào)量、管程等,它們保證了共享資源的互斥訪問,使得并發(fā)程序能夠安全、正確地執(zhí)行。進(jìn)程同步的必要性確保系統(tǒng)正確性進(jìn)程同步可確保多個(gè)進(jìn)程按預(yù)期順序訪問共享資源,避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭和不一致問題,確保系統(tǒng)整體正確性。提高系統(tǒng)效率合理的進(jìn)程同步機(jī)制可以減少資源爭用,降低等待時(shí)間,提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率和吞吐量。防止死鎖進(jìn)程同步可以預(yù)防由于資源競(jìng)爭導(dǎo)致的死鎖情況發(fā)生,確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。臨界區(qū)問題臨界區(qū)是一種關(guān)鍵的程序片段,只能由一個(gè)進(jìn)程或線程訪問和執(zhí)行。如果多個(gè)進(jìn)程或線程同時(shí)訪問臨界區(qū),就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)爭和邏輯錯(cuò)誤。因此,必須確保同一時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程或線程能夠進(jìn)入和執(zhí)行臨界區(qū)中的代碼。解決臨界區(qū)問題的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程或線程的互斥訪問,保證資源的獨(dú)占性和數(shù)據(jù)的一致性。這是操作系統(tǒng)進(jìn)程同步的核心內(nèi)容之一。臨界區(qū)的解決方法互斥原則保證同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程能夠訪問臨界資源,其他進(jìn)程必須等待。先到先服務(wù)按照進(jìn)程請(qǐng)求訪問臨界資源的先后順序進(jìn)行調(diào)度,保證公平性。禁止中斷在進(jìn)程進(jìn)入和退出臨界區(qū)的過程中,禁止外部中斷干擾,確保操作的原子性。資源分配與釋放嚴(yán)格控制進(jìn)程對(duì)臨界資源的申請(qǐng)和釋放,確保資源使用的合理性和安全性。互斥條件互斥性在任何時(shí)間只允許一個(gè)進(jìn)程訪問臨界區(qū)，其他進(jìn)程必須等待。協(xié)調(diào)性多個(gè)進(jìn)程必須協(xié)調(diào)好訪問臨界區(qū)的時(shí)間順序，避免沖突。及時(shí)性進(jìn)程在有限的時(shí)間內(nèi)必須完成對(duì)臨界區(qū)的訪問和退出。進(jìn)入與退出臨界區(qū)1保護(hù)臨界區(qū)確保同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問臨界區(qū)2請(qǐng)求進(jìn)入進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)前必須先申請(qǐng)3離開臨界區(qū)進(jìn)程在離開臨界區(qū)后必須通知其他進(jìn)程進(jìn)程進(jìn)入和退出臨界區(qū)是保證同步的關(guān)鍵步驟。進(jìn)程必須先申請(qǐng)進(jìn)入臨界區(qū)并得到許可,然后才能執(zhí)行臨界區(qū)代碼。執(zhí)行完畢后,進(jìn)程必須通知其他等待的進(jìn)程,以確?；コ庠L問。這些操作保證了臨界區(qū)的安全訪問。進(jìn)程同步的實(shí)現(xiàn)方式1臨界區(qū)通過在臨界區(qū)進(jìn)入和退出的檢查確保同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問共享資源。2信號(hào)量使用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步,信號(hào)量可以限制對(duì)共享資源的訪問。3管程管程是一種高級(jí)的進(jìn)程同步機(jī)制,它將同步和互斥的實(shí)現(xiàn)封裝在一個(gè)模塊中。4鎖機(jī)制使用鎖定機(jī)制保護(hù)共享資源,確保同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問該資源。信號(hào)量同步原語信號(hào)量是一種進(jìn)程同步的基本原語,用于解決臨界區(qū)問題和實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信。計(jì)數(shù)器信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)整數(shù)計(jì)數(shù)器,記錄可用的資源數(shù)量。操作方法信號(hào)量提供wait()和signal()兩種基本操作,用于等待和釋放資源。信號(hào)量的基本操作1P操作通過阻塞進(jìn)程來獲取資源2V操作通過喚醒進(jìn)程釋放資源3初始化為信號(hào)量設(shè)置初始值信號(hào)量提供了兩種基本操作:P(S)和V(S)。P操作用于獲取資源,如果資源不可用則阻塞進(jìn)程;V操作用于釋放資源,喚醒被阻塞的進(jìn)程。另外,需要為信號(hào)量設(shè)置初始值來表示可用資源的數(shù)量。信號(hào)量的等待與發(fā)送1等待進(jìn)程通過調(diào)用P()操作來等待和獲取資源。如果資源不可用，進(jìn)程會(huì)被阻塞并加入到信號(hào)量的等待隊(duì)列中。2發(fā)送當(dāng)一個(gè)進(jìn)程釋放了資源后，會(huì)通過調(diào)用V()操作來喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)進(jìn)程。被喚醒的進(jìn)程會(huì)重新嘗試獲取資源。3原子性P()和V()操作必須是原子性的，以確保多個(gè)進(jìn)程間的同步。操作系統(tǒng)需要提供特殊的指令來實(shí)現(xiàn)這種原子性。生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題是一個(gè)古老而經(jīng)典的進(jìn)程同步問題。在這個(gè)問題中,生產(chǎn)者進(jìn)程不斷地生產(chǎn)產(chǎn)品并放入緩沖區(qū),而消費(fèi)者進(jìn)程則不斷地從緩沖區(qū)中取出產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)。生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間需要通過同步機(jī)制來協(xié)調(diào),以確保緩沖區(qū)不會(huì)被過多的生產(chǎn)者產(chǎn)品或消費(fèi)者占據(jù)。為了解決這個(gè)問題,需要引入兩個(gè)信號(hào)量:一個(gè)表示緩沖區(qū)中的空閑空間,另一個(gè)表示緩沖區(qū)中的可用產(chǎn)品。生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程需要通過對(duì)這兩個(gè)信號(hào)量的等待和發(fā)送來實(shí)現(xiàn)同步。讀者-寫者問題讀者-寫者問題讀者-寫者問題是一個(gè)涉及共享資源訪問協(xié)調(diào)的經(jīng)典同步問題。需要確保讀取和寫入操作不會(huì)互相干擾。并發(fā)讀寫多個(gè)讀者進(jìn)程可以同時(shí)讀取共享資源,但寫入操作必須是互斥的,以防止數(shù)據(jù)不一致。讀者優(yōu)先算法讀者優(yōu)先算法確保讀取操作具有優(yōu)先權(quán),可以提高系統(tǒng)的吞吐量和響應(yīng)速度。哲學(xué)家就餐問題這個(gè)問題描述了一群哲學(xué)家圍坐在圓桌旁進(jìn)餐的場(chǎng)景。每個(gè)哲學(xué)家要么思考、要么進(jìn)食,但他們共享的餐具數(shù)量有限,這就引發(fā)了同步問題。如果所有哲學(xué)家同時(shí)拿起自己左右手邊的餐具,就會(huì)造成死鎖,無法進(jìn)餐。解決這一問題需要一種同步機(jī)制,合理安排哲學(xué)家拿取餐具的順序,避免死鎖的發(fā)生。這個(gè)問題體現(xiàn)了進(jìn)程同步的基本原理和常見問題。管程概念與實(shí)現(xiàn)管程是一種高級(jí)的進(jìn)程同步機(jī)制,它將互斥和同步封裝在一個(gè)模塊中,方便程序員使用。特點(diǎn)管程提供了條件變量和程序員自定義的同步原語,使進(jìn)程同步更加靈活和高效。管程與信號(hào)量相比信號(hào)量,管程擁有更強(qiáng)的抽象性和可讀性,但實(shí)現(xiàn)機(jī)制更為復(fù)雜。管程的概念與實(shí)現(xiàn)1管程的概念管程是一種并發(fā)程序設(shè)計(jì)的高級(jí)同步機(jī)制，它為并發(fā)程序提供了一種更加安全和高效的方式來協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程或線程的訪問。2管程的實(shí)現(xiàn)管程通過使用互斥鎖和條件變量來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步。它保證了同時(shí)只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問臨界區(qū)。3管程的優(yōu)勢(shì)相比于傳統(tǒng)的信號(hào)量機(jī)制，管程提供了更加簡單和安全的編程接口，減少了并發(fā)程序的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。管程的特點(diǎn)同步與互斥管程內(nèi)部的所有過程都是互斥執(zhí)行的,通過內(nèi)置的同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的訪問控制。高可靠性管程提供了一種可靠的同步機(jī)制,確保了并發(fā)進(jìn)程訪問共享資源的安全性和一致性。易于理解管程的概念和實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單,使得編程人員更容易掌握和應(yīng)用。良好的抽象性管程采用了過程級(jí)的抽象,可以方便地將同步問題與具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隔離開來。管程與信號(hào)量的比較編程模型管程采用顯式的同步機(jī)制,而信號(hào)量是基于隱式的等待隊(duì)列。加鎖方式管程使用內(nèi)置的鎖機(jī)制,信號(hào)量需要自行實(shí)現(xiàn)加鎖解鎖操作。抽象級(jí)別管程提供更高層次的抽象,而信號(hào)量更接近底層操作系統(tǒng)原語。死鎖的概念死鎖是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程或線程在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種僵局。在這種情況下，每個(gè)進(jìn)程或線程都在等待其他進(jìn)程或線程釋放資源。死鎖會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)陷入一種永久性的阻塞狀態(tài),無法繼續(xù)運(yùn)行。這種狀態(tài)一旦發(fā)生,將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和可靠性。死鎖的必要條件1相互排斥一個(gè)資源僅能被一個(gè)進(jìn)程（或線程）使用。2持有并等待一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)持有一個(gè)資源,并在等待獲取另一個(gè)資源。3不可剝奪資源不能被強(qiáng)制從一個(gè)進(jìn)程轉(zhuǎn)移到另一個(gè)進(jìn)程。4循環(huán)等待存在一個(gè)進(jìn)程鏈,每一個(gè)進(jìn)程都在等待下一個(gè)進(jìn)程所占用的資源。死鎖的預(yù)防1資源獨(dú)占合理分配資源以避免獨(dú)占2進(jìn)程順序規(guī)定進(jìn)程獲取資源的順序3預(yù)防循環(huán)等待采用資源有序分配法避免循環(huán)等待通過合理分配資源、規(guī)定進(jìn)程獲取資源的順序、以及采用資源有序分配法等方式,可以有效預(yù)防死鎖的發(fā)生。這些措施確保了系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)資源獨(dú)占、進(jìn)程順序不當(dāng)以及循環(huán)等待等死鎖必要條件。從而有效地杜絕了死鎖問題的產(chǎn)生。死鎖的避免資源分配策略通過合理分配資源,避免進(jìn)程陷入死鎖狀態(tài),確保系統(tǒng)能夠持續(xù)運(yùn)行。銀行家算法根據(jù)當(dāng)前資源狀態(tài),預(yù)測(cè)未來資源需求,以此決定是否批準(zhǔn)進(jìn)程的資源申請(qǐng)。動(dòng)態(tài)資源分配動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配方案,根據(jù)實(shí)時(shí)變化情況及時(shí)重新分配資源,預(yù)防死鎖。死鎖的檢測(cè)與恢復(fù)1死鎖檢測(cè)通過資源分配圖檢測(cè)系統(tǒng)中是否存在死鎖2死鎖恢復(fù)通過回溯撤銷某些進(jìn)程的資源分配以解除死鎖3資源搶占從某些進(jìn)程強(qiáng)行回收資源以滿足其他進(jìn)程的需求4進(jìn)程終止終止部分進(jìn)程以消除死鎖并釋放資源死鎖的檢測(cè)與恢復(fù)是操作系統(tǒng)中的重要問題。通過資源分配圖可以檢測(cè)系統(tǒng)中是否存在死鎖,然后采取相應(yīng)的措施進(jìn)行死鎖恢復(fù),如資源搶占或進(jìn)程終止等。這些方法可以有效地避免和解決死鎖問題,確保系統(tǒng)的健康運(yùn)行。銀行家算法1資源分配策略銀行家算法是一種資源分配策略,用于避免死鎖的發(fā)生。2安全狀態(tài)檢測(cè)算法會(huì)檢查當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)是否處于安全狀態(tài),以確保不會(huì)發(fā)生死鎖。3動(dòng)態(tài)資源分配算法會(huì)動(dòng)態(tài)地分配資源,確保在任何時(shí)候系統(tǒng)都處于安全狀態(tài)。4降低死鎖風(fēng)險(xiǎn)銀行家算法可有效降低死鎖發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),從而提高系統(tǒng)的可靠性。資源分配圖資源分配圖是一種可視化分析死鎖的方法。它以圖形的形式展示系統(tǒng)中各個(gè)進(jìn)程對(duì)資源的請(qǐng)求和分配情況。通過分析資源分配圖，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防死鎖的發(fā)生。資源分配圖中包含各個(gè)進(jìn)程以及它們所需要的資源。通過分析資源分配關(guān)系，我們可以判斷是否存在環(huán)路依賴關(guān)系,從而確定是否會(huì)發(fā)生死鎖。線程同步搶占式調(diào)度在并發(fā)執(zhí)行過程中,線程可能會(huì)搶占資源,導(dǎo)致資源使用不當(dāng)。因此需要線程同步機(jī)制來協(xié)調(diào)線程的行為,確保線程安全。臨界區(qū)控制通過控制線程對(duì)臨界區(qū)的訪問,可以解決線程同步問題。常見的同步機(jī)制包括互斥鎖、信號(hào)量、管程等。阻塞與喚醒當(dāng)線程訪問臨界區(qū)時(shí),如果遇到資源沖突,需要將其阻塞,等待條件滿足后再喚醒繼續(xù)執(zhí)行。這是線程同步的核心機(jī)制。線程同步的必要性數(shù)據(jù)完整性在多線程環(huán)境下,不同線程可能會(huì)同時(shí)訪問和修改共享數(shù)據(jù),造成數(shù)據(jù)不一致。線程同步可以保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。資源爭用多個(gè)線程可能會(huì)爭用同一個(gè)資源,如文件、內(nèi)存等。線程同步可以確保資源訪問的有序性和互斥性。程序正確性不當(dāng)?shù)木€程切換或資源爭用可能會(huì)導(dǎo)致程序出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤或死鎖。線程同步有助于確保程序的正確性和可靠性。線程安全與臨界區(qū)線程安全線程安全意味著當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)訪問同一資源時(shí),不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)破壞或程序崩潰的情況。這需要保證同時(shí)只有一個(gè)線程可以訪問該資源。臨界區(qū)臨界區(qū)是指訪問共享資源的代碼片段。為了確保線程安全,必須確保臨界區(qū)