软考89-上午题-【操作系统】-同步与互斥

本文主要是介绍软考89-上午题-【操作系统】-同步与互斥，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、进程间的通信

在多道程序环境的系统中存在多个可以并发执行的进程，故进程间必然存在资源共享（互斥）和相互合作（同步）的问题。进程通信是指各个进程交换信息的过程。

同步是合作进程间的直接制约问题，互斥是申请临界资源进程间的间接制约问题.

1-1、同步

在计算机系统中，多个进程可以并发执行，每个进程都以各自独立的、不可预知的速度向前推进，即，异步执行。

但是需要在某些确定点上协调相互合作进程间的工作。例如，进程 A 向缓冲区送数据,进程 B 从缓冲区取数据加工，当进程 B 要取数据加工时，必须是进程 A 完成了向缓冲区送数据的操作，否则进程 B 必须停下来等待进程 A 的操作结束。

可见，所谓进程间的同步是指在系统中一些需要相互合作，协同工作的进程，这样的相互联系称为进程的同步。

1-2、互斥

进程的互斥是指系统中多个进程因争用临界资源而互斥执行。

在多道程序系统环境中，各进程可以共享各类资源，但有些资源一次只能供一个进程使用，称为临界资源 (CriticalResource，CR)，如：打印机、共享变量和表格等。

1-3、临界资源管理的原则

临界区，是进程中对临界资源实施操作的那段程序。

对互斥临界区管理的 4 条原则如下：

(1)有空即进

当无进程处于临界区时，允许进程进入临界区，并且只能在临界区运行有限的时间。（不能一直占用资源不放）

(2) 无空则等

当有一个进程在临界区时，其他欲进入临界区的进程必须等待，以保证进程互斥地访问临界资源。

(3)有限等待

对于要求访问临界资源的进程，应保证进程能在有限的时间进入临界区以免陷入“饥饿”状态。

(4) 让权等待

当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机（CPU），以免进程陷入忙等状态。

忙等状态：

当一个进程因某个事件（如等待某个资源或条件成立）而无法继续执行时，它仍然占用着CPU。任何试图进入其临界区的进程都必须等待，进入忙等状态。

忙等状态的主要缺点是它会浪费CPU的时间，因为进程在等待期间仍然占据着CPU资源，不能进行其他有用的工作。

1-4、信号量机制

信号量机制，是一种有效的进程同步、互斥工具。

1-4-1、整型信号量

信号量是一个整型变量，根据控制对象的不同被赋予不同的值。

信号量分为如下两类：

(1) 公用信号量。实现进程间的互斥，初值为 1 或资源的数目。

(2) 私用信号量。实现进程间的同步，初值为 0 或某个正整数。

信号量 S 的物理意义：

S>=0 表示某资源的可用数，
S<0，则其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数。

S=-1，即：阻塞队列中有一个资源在等待。

1-5、PV操作

对于系统中的每个进程，其工作的正确与否不仅取决于它自身的正确性，而且与它在执行中能否与其他相关进程正确地实施同步、互斥有关。

PV 操作是实现进程同步、互斥的常用方法。

P 操作和 V 操作是低级通信原语，在执行期间不可分割。其中，P 操作：表示申请一个资源，V操作：表示释放一个资源。

P操作和V操作：成对出现。

1-5-1、P操作（申请一个资源）

P 操作的定义: S:=S-1

若 S>=0，则执行 P 操作的进程继续执行；

若 S<0，则置该进程为阻塞状态/等待队列（因为无可用资源），并将其插入阻塞队列。

1-5-2、V操作（释放一个资源）

V操作定义：S:=S+1

若 S>0，则执行V操作的进程继续执行；

若 S<0，则从阻塞队列唤醒一个进程，并将其插入就绪队列，然后执行V操作的进程继续。

S+1<0，说明有进程在阻塞队列中等待资源，如：P2。此时，有资源被释放，则将资源给P2，将P2插入就绪队列。

1-5-3、真题

真题1：

真题2：

真题3：

真题4：

真题5：

1-6、利用PV操作实现进程的互斥

令信号量 mutex 的初值为 1，当进入临界区时执行P操作，退出临界区时执行V操作。

这样，利用 PV操作实现进程互斥的代码段如下：

P(mutex)

临界区

V(mutex)

示例：

1-7、利用PV操作实现进程的同步

进程的同步是由于进程间合作引起的相互制约的问题，要实现进程的同步可用一个信号量与消息联系起来，当信号量的值为0时，表示希望的消息未产生，当信号量的值为非0时，表示希望的消息已经存在。

假定用信号量S表示某条消息，进程可以通过调用P操作测试消息是否到达，调用V操作通知消息已准备好。

最典型的同步问题是单缓冲区的生产者和消费者的同步问题。

1-7-1、生产者、消费者问题

生产者进程P1：不断地生产产品送入缓冲区；
消费者进程P2，不断地从缓冲区中取产品消费。

1、单缓冲区

缓冲区可以存放1件产品。

为了实现P1与P2，进程间的同步问题，需要设置两个信号量S1、S2方案：

信号量S1，初值为1，表示缓冲区空，可以将产品送入缓冲区；

生产者可以往缓冲区中可以放几个产品

信号量S2，的初值为0，表示缓冲区有产品。

消费者可以往缓冲区中取几个产品。

【回顾】：

P 操作的定义: S:=S-1

若 S>=0，则执行 P 操作的进程继续执行；
若 S<0，则置该进程为阻塞状态/等待队列（因为无可用资源），并将其插入阻塞队列。

V操作定义：S:=S+1

若 S>0，则执行V操作的进程继续执行；
若 S<0，则从阻塞队列唤醒一个进程，并将其插入就绪队列，然后执行V操作的进程继续。