OS进程同步与通信

信号量机制

信号量用于互斥

P(S)
临界区
V(S)
-----
P(S)
临界区
V(S)

生产者消费者：
typedef int semaphore  //信号量值设置为1就是互斥量
semaphore mutex = 1; //同一时刻只有一个进程可以读写缓冲区
semaphore empty = N; //“空”的数目，缓冲区空消费者停下
semaphore full = 0;  //“满”的数目，缓冲区满生产者停下
//full+empty == N
//p(empty):生产一件，empty减1，full加1，如果empty为空被阻塞
//p(full):消费一件，full减1，empty加1，如果full为空被阻塞
生产者：
while(true)
	p(empty)
	p(mutex)
	one>>buffer
	v(mutex)
	v(full)					

消费者：
while(true)
	p(full)
	p(mutex)
	one<<buffer
	v(mutex)
	v(empty)

信号量用于同步

P(S)
代码A
------
代码B
V(S)
//代码B执行后A再执行
sem.wait()
代码A
------
代码B
sem.signal()

信号量实现线程A和B的汇合，保证a1永远在b2前，b1永远在a2前
a1
aArrive.signal
bArrive.wait
a2
---------------
b1
bArrive.signal
aArrive.wait
b2

信号量用于多路复用

semaphore multiplex = n; //使得n个线程能同时在临界区
multiplex.wait
	临界区
multiplex.signal

屏障Barriers

int n;  //线程数
int count = 0;  //到达汇合点的线程数
semaphore mutex = 1; //保护count的访问
semaphore barrier = 0;  //所有线程到达前都是0，到达后取正

p(mutex)
count = count + 1
v(mutex)

if(count == n) v(barrier)  //第n个进程到来，随机唤醒一个等待进程
p(barrier)   //前n-1个进程在此排队
v(barrier)	 //一旦线程被唤醒，有责任唤醒下一个线程

AND型信号量机制

将进程需要的所有共享资源一次全部分配给它；待该进程使用完后再一起释放

//每次申请di个资源，当资源数少于ti时不予分配
原语SP(S1,t1,d1;...;Sn,tn,dn);
	if(S1>=t1 and ... and Sn>=tn)
		for i := 1 to n do
			Si := Si - di
		endfor
	else
		wait in Si

原语SV(S1,d1;...;Sn,dn);
	for i := 1 to n do
		Si := Si + di;
		wake waited process
	endfor

SP(S,1,1):互斥信号量
SP(S,1,0):开关控制(S>=1时允许多进程进入临界区，S=0时禁止任何进程进入)

管程

public class ProducerConsumer{
    static final int N = 100;  //constant giving the buffer size
    static producer p = new producer();
    static consumer c = new consumer();
    static our_monitor mon = new our_monitor();

    public static void main(String args[]){
        p.start();
        c.start();
    }

    staic class producer extends Thread {
        public void run(){
            int item;
            while(true){
                item = produce_item();
                mon.insert(item);
            }
        }
        private int produce_item(){...}
    }

    static class consumer extends Thread {
        public void run(){
            int item;
            while(true){
                item = mon.remove();
                consume_item (item);
            }
        }
        private void consume_item(int item){...}
    }

    static class our_monitor{
     	private int buffer[] = new int[N];
        private int count=0, lo=0, hi=0;  

        public synchronized void insert(int val){
            if(count == N){ try{wait();} catch(...){...} }
            buffer[hi] = val;
            hi = (hi + 1) % N;
            count ++;
            if(count == 1)notify();
        }

        public synchronized void remove(){
            int val;
            if(count == 0){ try{wait();} catch(...){...} }
            val = buffer[lo];
            lo = (lo + 1) % N;
            count --;
            if(count == N-1)notify();
            return val;
        }
    }
}

管道通信

无名管道，杀死一个叫conky的进程：
ps aux | grep conky | grep-v grep| awk '{print $2}' | xargs kill 

ps aux:显示所有进程
grep conky:查找所有包含conky的进程
grep -v grep：删除上述包含grep的进程(因为上面的grep指令也是一个进程)
awk '{print $2}':取出进程信息条的第二个参数，也就是进程ID
xargs kill: kill上述ID对应的进程

经典进程同步问题

生产者-消费者

生产者消费者：
typedef int semaphore  //信号量值设置为1就是互斥量
semaphore mutex = 1; //同一时刻只有一个进程可以读写缓冲区
semaphore empty = N; //“空”的数目，缓冲区空消费者停下
semaphore full = 0;  //“满”的数目，缓冲区满生产者停下
//full+empty == N	 //p(empty):empty减1操作，如果empty为空被阻塞

生产者：
while(true)
p(empty)
p(mutex)
one>>buffer
v(mutex)
v(full)
----------
消费者：
while(true)
p(full)
p(mutex)
one<<buffer
v(mutex)
v(empty)

生产者-消费者（拓展1）

描述：银行有n个服务柜台。每个顾客进店后先取一个号并等待叫号。当一个柜台人员空闲下来时，就叫下一个号

问题：设计一个使柜台人员和顾客同步的算法

思路：

• 生产者：顾客
• 消费者：n个服务柜台

通过信号量同步
int next_cstmr = 0; //下一个要服务的客户编号
Semaphore s_mutex = 1; //服务器进程互斥访问next_cstmr
Semaphore cstmr_cnt = 0; //正在等待的客户数

process servers i //(i = 1, 2, 3 ..., n)
while(true){
    p(s_mutex)
    p(cstmr_cnt)
    next_cstmr ++
    v(s_mutex)
    ...
    //为持有next_cstmr的客户服务
    ...
}

process customer i
{
	v(cstmr_cnt)
}

通过变量取值同步
int cstmr_id = 0; //当前客户编号
semaphore mutex = 1; //对cstmr_id互斥访问
int next_cstmr = 0; //下一个要服务客户编号
semaphore s_mutex = 1; //服务器进程互斥访nexy_cstmr

process customer i
{
    p(mutex)
    	cstmr_id++
    v(mutex)
}

process servers i
{
	while(true){
    	p(s_mutex)
    	p(mutex)
    		if(next_cstmr < cstmr_id)
    			next_cstmr ++
    	v(mutex)
    	v(s_mutex)
    	...
    	//为next_cstmr号码持有者服务
    	...
	}
}

生产者-消费者（拓展2）

描述：一个可以装A、B两种物品的仓库,其容量无限大,但 要求仓库中A、B两种物品的数量满足下述不等式: -M ≤ A物品数量 - B物品数量 ≤N

semaphore mutex = 1;
semaphore sa = N;
semaphore sb = M;

procedure A:
while(true)
	p(sa)
	p(mutex)
	A产品入库
	v(mutex)
	v(sb)
------------
procedure B:
while(true)
    p(sb)
    p(mutex)
    B产品入库
    v(mutex)
    v(sa)

生产者-消费者（拓展3）

描述：系统中有多个生产者进程和消费者进程，共享用一个可以存1000个产品的缓冲区（初始为空），当缓冲区为未满时，生产者进程可以放入一件其生产的产品，否则等待；当缓冲区为未空时，消费者进程可以取走一件产品， 否则等待。要求一个消费者进程从缓冲区连续取出10件产品后，其他消费者进程才可以取产品。

buffer array [1000]; //存放产品的缓冲区
buffer nextp; //用于临时存放生产者生产的产品
buffer nextc [10]; //用于临时存放消费者取出的产品
semaphore empty = 1000; //空缓冲区的数目
semaphore full = 0; //满缓冲区的数目
semaphore mutex1 = 1; //用于生产者之间的互斥，以及生产者消费者互斥
semaphore mutex2 = 1; //用于消费者之间的互斥
int in = 0; //指示生产者的存位置
int out = 0; //指示消费者的取位置 

Producer() //生产者进程
{
	Produce an item put in nextp; //生产一个产品，存在临时缓冲区
	P(empty); //申请一个空缓冲区
	P(mutex1); //生产者申请使用缓冲区
	array[in]=nextp; //将产品存入缓冲区
	in = (in+1)%1000; //指针后移
	V(mutex1); //生产者缓冲区使用完毕，释放互斥信号量
	V(full); //增加一个满缓冲区
}

Consumer() //消费者进程
{
	P(mutex2); //消费者申请使用缓冲区
	for(int i = 0;i<10;i++) //一个消费者进程需从缓冲区连续取走 10 件 产品
	{
		P(full); //申请一个满缓冲区
		P(mutex1) //互斥生产者
		nextc[i] = array[out]; //将产品取出，存于临时缓冲区
		out = (out+1)%1000; //指针后移
		V(mutex1) //解除生产者互斥
		V(empty); //增加一个空缓冲区
	}
	V(mutex2); //消费者缓冲区使用完毕，释放互斥信号量
	Consume the items in nextc; //消费掉这10个产品
}

读写者问题(开关灯模式)

描述：对共享资源的读写操作，任一时刻“写者” 最多只允许一个，而“读者”则允许多个――“读－写”互斥，“写 - 写”互斥，“读－读”允许。第一个进屋的人开灯，最后一个离开屋的人关灯。

应用场景： 对共享数据结构、数据库、文件的多线程并发访问

问题：系统负载高的时候，写者几乎没有机会工作

int readers = 0  //临界区内读者的数目
semaphore mutex = 1  //对readers的访问保护
semaphore roomEmpty = 1	//1：临界区没有线程，0：临界区有线程

读者：
p(mutex)
	readers++;
	if(readers == 1) //第一个读者进房间，如果里面有写者,需等写者写完房间为空才能读
		p(roomEmpty) //房间里已有读者时,就说明房间里已经没有写者,就无需等房间为空时再读
v(mutex)
read... //临界区
p(mutex)
	reader--;
	if(readers == 0)
		v(roomEmpty)
v(mutex)

写者：
p(roomEmpty) //房间不为空,要等待
	write... //临界区
v(roomEmpty) //写完后出房间了,告诉所有人房间空了	

采用一般信号量机制：
RN:同时读的读者最大数目   mx：允许写，初值为1    L：允许读者数目，初值RN
writer:
SP(mx,1,1;L,RN,0)
	write
SV(mx,1)
-------
Reader：
SP(L,1,1;mx,1,0)
    read
SV(L,1)

闸机版的读写问题:当一个写者到达， 已进入的读者可以结束，但是新的读者无法进入

int readers = 0  //临界区内读者的数目
semaphore mutex = 1  //对readers的访问保护
semaphore roomEmpty = 1	//1：临界区没有线程，0：临界区有线程
semaphore turnstile = 1 //闸机 

读者：
p(turnstile)
v(turnstile)
p(mutex)
	readers++;
	if(readers == 1) //第一个读者
		p(roomEmpty)
v(mutex)
read... //临界区
p(mutex)
	reader--;
	if(readers == 0)
		v(roomEmpty)
v(mutex)
----------
写者：
p(turnstile)
	p(roomEmpty)
		write... //临界区
	v(roomEmpty)
v(turnstile)

理发师问题

描述：理发店里有一位理发师、一把理发椅和n把供等候理发的顾客坐的椅子；如果没有顾客，理发师便在理发椅上睡觉，当一个顾 客到来时，叫醒理发师；如果理发师正在理发时，又有顾客来到，则如果有空椅子可坐，就坐下来等待，否则就离开。

semaphore customers = 0; //等待理发的顾客
semaphore barbers = 0; //等待顾客的理发师
int waiting = 0; //等待的顾客数(不包含正在理发的顾客)
semaphore mutex = 1; //互斥访问waiting
//CHIRS = 10
理发师线程：
while(true){
    p(customers)//顾客为0，睡觉
    p(mutex)
    	waiting --;
    v(mutex)
    v(barbers)	//准备好剪发
    Cut hair();
}
---------------
顾客线程：
p(mutex)
	if(waiting<CHIRS){ //有座位等么
		waiting ++;
		v(mutex)  //开始排队
		v(customer)
		p(barbers)//等待理发师
		Get_haircut()
	else
		v(mutex) //没座位离开

构建水分子问题

描述：一个线程提供氧原子，一个提供氢原子。为构建水分子，需要使用barrier让线程同步从而构建水分子

信号量定义：
oxygen = 0; //counter
hydrogen = 0; //counter
mutex = 1; //protect the counter
Barrier barrier(3) //3表示需要调用3次wait后barrier才开放
oxyQueue = 0; //氧气线程等待的信号量
hydroQueue = 0; //氢气线程等待的信号量
//信号量上睡眠来模拟队列
P(oxyQueue) //加入队列
V(oxyQueue) //离开队列

//氧气线程
P(mutex)
oxygen += 1
if hydrogen >= 2 //构建水分子成功
	V(hydroQueue)
	V(hydroQueue)
	hydrogen -= 2
	V(oxyQueue)
	oxygen -= 1
else:
	V(mutex)
P(oxyQueue)
bond()  //原子组合操作
barrier.wait()
V(mutex)
//当三个线程离开barrier时候，最后那个线程拿着mutex， 虽然我们不知道那个线程hold mutext，但是我们一定要释放一次。 因为氧气只有一个线程，就放在氧气线程中做了。

//氢气线程
P(mutex)
hydrogen += 1
if hydrogen >= 2 and oxygen >=1 //构建水分子成功
	V(hydroQueue)
	V(hydroQueue)
	hydrogen -= 2
	V(oxyQueue)
	oxygen -= 1
else:
	V(mutex)
P(oxyQueue)
bond()  //原子组合操作
barrier.wait()

吸烟者问题

描述：三个吸烟者在一间房间内，还有一个香烟供应者。为了 制造并抽掉香烟，每个吸烟者需要三样东西：烟草、纸 和火柴。供应者有丰富的货物提供。三个吸烟者中，第一个有自己的烟草，第二个有自己的纸，第三个有自己的火柴。供应者随机选择两样东西放在桌子上，允许欠缺相应两样材料一个吸烟者吸烟。当吸烟者完成吸烟后唤醒供应者，供应者再放两样东西（随机地）在桌面上，然后唤醒另一个吸烟者。如此往复。 问题的目标是当资源足够让一个或者多个应用继续，这些应用应该被唤醒。 反之，让应用继续睡眠。

isTobacco = isPaper = isMatch = False//表示材料是否在桌子上
agentSem = Semaphore (1) //表示唤醒/睡眠提供者的信号量
tobacco = Semaphore (0) //表示烟草可用
paper = Semaphore (0) //表示纸可用
match = Semaphore (0) //表示火柴可用
tobaccoSem = Semaphore (0) //用于通知拥有tobacco的吸烟者
paperSem = Semaphore (0) //用于通知拥有paper的吸烟者
matchSem = Semaphore (0) //用于通知拥有match的吸烟

//PusherA/B/C是三个帮助线程，他们响应agent的信号，记录可用材料，通知相应吸烟者
pusherA:
tobacco.wait()
mutex.wait()
	if isPaper:			//如果发现已经有paper(加上有tobacco)
		isPaper = False //唤醒smoker with match
		matchSem.signal()
	else isMatch:
		isMatch = False
		paperSem.signal()
	else
		isTobacco = True //如果它是第一个醒来，就会设置isTobacco为真
mutex.signal()
---------------
Agent A://同时放了to和pa
agentSem.wait()//睡眠提供者
tobacco.signal()
paper.signal()
---------------
Smoker with match:
matchSem.wait()
makeCigarette()
agentSem.signal()//唤醒提供者
smoke()