3 进程管理

3.5 P、V操作

PV操作必须是原子操作。

操作	说明	本质	实现
P操作	申请信号量	申请获得临界资源中某块资源的使用权限	临界资源数sv的值在P操作后，计数器减1；sv的值为0，挂起进程的执行。
V操作	释放信号量	归还临界资源中某块资源的使用权限	临界资源数sv的值在V操作后，计数器加1；因sv为0被挂起的进程恢复执行。

3.5.1 信号量

1、信号量的定义： 信号量 S（Semaphore）是一个记录性变量。

2、S.value 的取值及意义:

取值	含义
S.value >0	表示系统当前可用的该类资源的数目
S.value <=0	其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目

3、信号量的操作：
除初始化之外，信号量仅能由 P、V 两条原语，即 P、V 两种操作来改变。

3.5.2 信号量的应用

1、实现进程互斥
用信号量解决几个进程互斥进入临界区的问题，几个进程共享一个公用信号量 mutex（互斥信号量）。
每个进程进入临界区必须先执行 P（mutex），退出临界区后执行 V（mutex）。对于 n 个进程同时共享一个临界资源，则 mutex 的取值为 1 ~ -(n-1)。
举例：有 1 台打印机 2 个进程，则 mutex 的取值为？

2、互斥：A和B两个进程无法同时执行。

3.5.3 进程同步机制

1、生产者-消费者问题
示例：父亲给盘子放苹果，母亲放橘子；儿子只吃苹果，女儿只吃橘子。父母是生产者，儿女是消费者，盘子是缓冲区。
映射：共享使用固定大小缓冲区的两个进程（生产者和消费者）在实际运行中存在的问题。
说明：生产者数量不限，消费者数量不限，缓冲区大小不限。
目标：分析进程与缓冲区之间的互斥关系。
注意：

在缓冲区为空时，消费者不能再进行消费
在缓冲区为满时，生产者不能再进行生产
消费者之间互斥，生产者之间互斥，但是生产者和消费者之间不影响
注意条件变量与互斥锁的顺序

2、读者-写者问题
描述：如购票系统，多人可同时查看，但是一个进程正在修改，其他进程则不能访问，否则可能同一个座位多次销售。
映射：多个进程同时访问共享数据时实际出现的问题。
目标：分析进程间读、读共享；写、写互斥；写、读互斥。

3、哲学家进餐问题
描述：有5个哲学家围坐在一个圆桌上，每两个哲学家之间都有一根筷子，哲学家平时进行思考，只有当他们饥饿时，才拿起筷子吃饭。规定每个哲学家只能先取其左边筷子，然后取其右边筷子，然后才可以吃饭。如果筷子已在他人手上，则需要等待。进餐完毕后，放下筷子继续思考。

要求：

只有当哲学家饥饿时才试图拿起左、右两根筷子。
如果筷子已在他人手上，则需等待。
只有同时拿起两根筷子才可以进餐。

目标：避免临界资源分配不当造成的死锁现象。
映射：进程间死锁问题。
解决：
1、最多允许四个哲学家同时就餐。2、奇数哲学家先拿左边筷子，偶数哲学家相反，先拿右边筷子；保证相邻的哲学家同时拿筷子时，有一个会被直接阻塞。

3.6 进程通信

类型	说明
低级通信	交换信息量小。常用变量、数组等方式。例进程同步和互斥 P、V 操作。
高级通信	交换信息量大。采用缓冲、管道、信箱、共享区等方式。

根据通信实施方式和数据存取方式可分为三类：

• 共享存储器系统：相互通信的进程共享某些数据结构和共享存储区（如寄存器、数组等）。
• 消息传递系统
• 管道通信系统（共享文件）基于文件系统，用一个打开的共享文件连结两个相互通信的进程 。（以自然字符流方式读写）

3.6.1 消息通信

把需要在进程间传递的一组信息看作一个消息。在系统中设置一个存放消息的存储区域,称为消息缓冲区，它可以同时存放一定数量的消息。

通信原语：1） send 原语2） receive 原语

3.6.2 信箱通信

信箱：是一种公共的存储区，是通信的一种中间实体。
组成：

信箱头：描述信箱（信箱名称、信箱大小、信箱方向以及拥有该信箱的进程名等。
信箱体：存放消息，由若干格子组成，每个格子放一信件。（格子数目及大小在创建信箱时确定）

分类	说明
单向信箱	只发不答
双向信箱	即发也收
公用信箱	与多个进程通信（按优先级处理）

3.7 死锁

3.7.1 死锁的定义

所谓死锁，是指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局，若无外力作用，这些进程都无法向前推进，死锁是计算机系统和进程所处的一种状态。

3.7.2 死锁产生的必要条件

1、 互斥条件
2、 不剥夺条件
3、 请求与保持条件
4、 循环保持条件（进程资源图）：存在一种进程资源的循环等待。

3.7.3 死锁的预防

死锁预防：设置某些条件，破坏产生死锁的必要条件中的一个或多个即可。
A． 破坏互斥条件：（应保证对临界资源的互斥访问，故不大可能实现）
B． 破坏不剥夺条件：当进程资源请求不能立即满足时，必须释放所有已获得的资源。
C． 破坏请求与保持条件：静态地一次性分配资源
D． 破坏循环等待条件：有序资源分配法。
1） 对资源进行编号；2）进程申请资源时，必须以编号递增方向申请。

3.7.4 死锁的避免

死锁的避免：在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态。

系统状态	说明
安全状态	在某个时刻，系统能按某种顺序，如〈P1 ， P2 ，┉ Pn 〉来为每个进程分配需要的资源，直至最大需求，是每个进程都能顺利地完成。则称此时的系统状态为安全状态。〈P1 ， P2 ，┉ Pn 〉为安全序列。
不安全状态	在某个时刻，系统不存在这样一个安全序列，则称此时的系统状态为不安全状态。

3.7.5 死锁的检测

死锁定理：S 为死锁状态的充分条件是，当且仅当 S 状态的资源分配表是不可完全简化的。

可完全简化 ：不死锁
不可完全简化 ⇒ 死锁（死锁定理）

简化方法：寻找过程资源图中即不孤立又不阻塞的节点（进程节点）删去请求边和分配边。
具体如下：
1） 在资源分配表中，找一个即不阻塞也非独立的进程点 Pi，在顺利情况下，Pi 可获得所需资源而继续执行，直至运行完毕，再释放其占有的所有资源。（a）—（b）
2） P1 释放资源后，使 P2 获得资源而继续运行， P2 完成后又释放出所有的全部资源。（b）—（c）
3） 在进行一系列的简化后，若能消去图中所有边，使所有进程都成为孤立点。则称该图可完全简化，否则称该图为不可完全简化。

3.7.6 死锁的解除

将系统从死锁状态解脱出来，有两种方法：
1） 资源剥夺法（抢占）：当发生死锁后，从其他进程剥夺足够数量的资源给死锁进程，以解除死锁状态。
2） 撤销进程法（终止）：采用强制手段，从系统中撤销一个或部分死锁进程，并剥夺这些进程的资源，供其他死锁进程使用。