并发进程详稿(12学时)
50页1、第 1 页引言:本章第一节首先介绍并发的概念和进程并发执行带来的问题,同时指出并发进程之间的关系(无关的并发进程和相关的并发进程)和判断进程是否相关的 Berstein 条件。特别对于相关的并发进程,可用互斥的方法解决进程间的竞争关系;用同步的方法解决进程间的合作关系。第二节中介绍实现互斥的软件方法和硬件机制。实现互斥的软件方法有Dekker 算法和 Pertenson 算法,也可通过禁止中断或采用特殊的硬件指令等硬件机制来支持互斥。第三节介绍用信号量和 PV 原语来实现进程的互斥和同步。在这一节中我们还将介绍一些进程同步和互斥的经典问题。第四节简单介绍管程的概念以及用管程来实现进程的同步和互斥。最后一节中我们将讨论在并发处理中通常需要解决的两个问题死锁和饥饿,并分析处理死锁的三种常用方法:预防、检测和避免。本章是操作系统课程的精华,也是学习的最大难点。 4.14.1 并发的基本原理并发的基本原理一、再论进程的并发性一、再论进程的并发性1.1. 顺序程序设计顺序程序设计传统的程序设计方法是顺序程序设计,即把一个程序设计成一个顺序执行的程序模块,不同程序也是按序执行的。程序执行不仅具有内
2、部顺序性,也具有外部顺序性。首先程序中包含了用来实现某个算法的若干操作,当程序在处理器上执行时,只有前一个操作结束,才能开始后继操作,称为程序内部的顺序性。如果需要若干不同的程序来完成某个任务,则这些不同程序也将按调用次序严格有序执行,称为程序外部的顺序性。2.2. 顺序程序设计的特性顺序程序设计的特性(1) 执行的顺序性一个程序在处理器上执行是严格有序的,即每个操作必须在下一个操作开始之前结束。(2) 环境的封闭性由于程序是一个个顺序执行的,所以每个程序在执行时独占系统的全部资源,不会受到其他程序和外界因素的干扰。(3) 执行结果的确定性虽然程序执行过程中允许出现中断,但是中断不会引发程序的切换,所以对程序的最终结果没有影响,换言之,程序的执行结果与它的执行速率无关。(4) 计算过程的可再现性一个程序针对同一个数据集一次执行的结果,在下一次执行时会重现,即重复执行程序会获得相同的执行结果。第 2 页程序的顺序执行给程序的编制和调试带来很大方便,缺点是计算机系统的效率不高。3.3. 进程的并发执行进程的并发执行操作系统中引入并发程序设计技术后,程序的执行不再是顺序的,一个程序未执行完而
3、另一个程序便已开始执行,程序外部的顺序性消失,程序与计算不再一一对应,所以在操作系统中引入进程这一概念来描述这种变化。(1) 进程的并发性进程的并发性是指一组进程的执行在时间上是重叠的,即一个进程执行的第一条指令是在另一个进程执行的最后一条指令完成前开始的。例如有两个进程 A 和 B,它们分别执行操作 a1,a2,a3 和 b1,b2,b3。这两个进程在单处理器上可以交叉执行,如执行序列为 a1,b1,a2,b2,a3,b3 或 a1,b1,a2,b2,b3,a3 等,称 A和 B 两个进程的执行是并发的。值得注意的是进程内部的顺序性并未消失,例如不可能出现 a1,b1,a3,b2,a2,b3 这样的执行序列。从宏观上看,并发性反映出一个时间段中有几个进程都处于运行还未运行结束的状态,且进程都在同一处理器上运行;从微观上看,任一时刻最多只有一个进程在处理器上执行。(2) 并发程序设计的优势可将一个程序分成若干个可同时执行的程序模块的方法称并发程序设计,每个程序模块和它在执行时所处理的数据就组成一个进程。采用并发程序设计可以充分发挥硬件的并行性,消除处理器和 I/O 设备的互等现象,提高
4、系统效率。例如有一个程序不断地从输入设备读取一个字符数据(调用 input 过程),再进行处理(执行 process 过程),然后将结果写到磁带上(调用 output 过程),可表示为:while(true)input();process();output();如果程序按照输入处理输出顺序执行,系统的效率是相当低的。如果把这个求解问题的程序分成三部分:while(true)input();send();while(true)receive();process();send();第 3 页while(true)receive();output();每一部分称为一个程序(子)模块,功能是:模块 1:循环执行,读入字符,将字符送缓冲区 1;模块 2:循环执行,处理缓冲区 1 中的字符,将计算结果送缓冲区 2;模块 3:循环执行,取出缓冲区 2 中的计算结果并写到磁带上。其中 send 和 receive 操作是程序模块之间的某种通信机制。从图中不难看出这三个程序模块能同时执行,在 t3 时刻输入 i3、处理 p2 和输出 o1可以并行工作,同样在 t4 时刻输入 i4、处理 p3 和输出 o
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