<操作系统>并发

相关术语

进程的交互：根据进程相互之间知道对方的程度分类为如下几个等级。

• 进程间的资源竞争。并发进程访问同一资源的时候，会发生冲突。当两个进程访问同一资源的时候，由于并不知道对方的存在，两者之间没有信息交流，所以一个进程的执行必定会影响到另外一个进程，例如，当资源被其中一个进程访问的时候，另外一个进程就必须处于等待状态。竞争进程之间需要控制三个问题，互斥，死锁和饥饿。互斥就是一个进程在临界区(访问临界资源的那一部分程序)访问资源，其它进程必须等待在临界区外，不能进入临界区。死锁就是一组进程中的每个进程都在等待某个事件，而只有在这种进程中的其他被阻塞的进程才可以触发该事件，这时就称这组进程发生死锁.饥饿就是一组进程中某个进程永远也访问不到资源。
• 进程通过共享的合作。进程在不知道对方的情况下进行交互。为了确保访问资源的正确性，必须进行合作。
• 进程通过通信的合作。由于在传递消息的过程中，进程间未共享任何对象，因而这类合作不需要互斥，但是仍然存在死锁和饥饿问题

互斥的要求：

• 必须强制实施互斥，即一次只确保一个进程处于临界区。
• 非临界区的进程不能干扰其他进程。
• 绝不允许出现需要访问临界区的进程被无限延迟的情况出现。
• 对相关进程的执行速度和处理器的数量没有要求和限制。
• 一个进程滞留在临界区的时间是有限的。

互斥的硬件支持：中断禁用；专用机器指令(比较和交换指令，交换指令)

互斥的软件支持：

• 信号量：一种在进程间传递消息的整数值，递减操作阻塞一个进程，递增操作接触一个进程的阻塞。

信号量看成一个值为整数的变量。主要有三个操作：

1. 信号量可以初始化为非负数
2. semWait操作使信号量减一，若值为负数，则阻塞执行semWait的进程，否则进程继续执行
3. semSignal使信号量加1，若值小于等于0，则被semWait操作阻塞的进程恢复执行。

• 二元信号量：只取0和1的信号量

1. 可以初始化为0或1
2. semWaitB检查信号的值，若为0，则进行执行semWaitB就会受阻，若值为1，那么将其改为0，然后继续执行
3. semSignalB检查是否有任何进程在该信号上受阻，若受阻，则通过semWaitB操作，受阻的进程将会被唤醒，若没有进程受阻，那么值设为1

• 互斥量：加锁和解锁必须为同一个进程.
• 条件变量：用于阻塞进程，直到条件为真
• 管程：一个或者多个过程，一个初始化序列或者局部数据组成的软件模块。

1. 局部变量只能被管程的过程所访问。任何外部过程都不能访问
2. 一个进程调用管程的过程进入管程
3. 任何时候，只能有一个进程在管程中执行，调用管程过程的其他进程都会被阻塞，以等待管程可用。

管程使用条件变量提供同步支持，这些变量包含在管程中，并且只有在管程中才能被访问。条件变量有两个操作

1. cwait(c)：调用进程的执行在条件c上阻塞，管程现在可以被另外一个进程调用
2. csignal(c)：恢复执行在cwait之后的因某些条件被阻塞的进程。

管程优于信号量在于：(1)所有的同步机制都被限制在管程内，不仅有利于验证同步的正确性，并且易于检测错误。(2)若一个管道被正确编写，则所有进程对受保护的资源的访问都是正确的，而信号量得保证所有访问资源得进程被正确编写时，资源访问才是正确的。

• 信箱/消息：

进程交互的时候，必须满足同步和通信，需要同步去实施互斥，交换信息来实现合作。消息传递是实现进程交互的一种方式。具备两个基本操作，也是最小操作集。

1. send(destination,message)，进程以消息的形式向目标进程发送消息。
2. receive(source,message)，接受消息。

阻塞的可能性：

1. send阻塞，receive阻塞，发送方和接收方都将阻塞，直到完成消息的传递。
2. send无阻塞，receive阻塞，接收方被阻塞，直到收到消息
3. send无阻塞，receive无阻塞。

无阻塞send会隐藏一个潜在的错误：错误会导致进程重复发送消息。这些消息可能消耗系统资源，进而损害其他进程。

消息传递过程中需要确定哪个进程接收消息：使用寻址操作，包括直接寻址和间接寻址。

1. 直接寻址：(1)对于send，参数中包含目标进程的标识符.(2)对于receive，两种方式，一种是要求进程显示指定源进程，另外一种是不可能指定所期望的源进程(打印机服务)。不可能指定所希望的源进程时，通过source参数保存相应信息
2. 间接寻址：消息不直接从源进程传递到目标进程，而是借助于信箱，它是一个共享数据结构，该结构由临时保存消息的队列构成。

读者/写者：有一个数据区被多个进程所共享，有些进程只用于从数据区中读取数据，有些进程只像数据区中写入数据。并满足如下几个条件：

1. 读取数据的进程是没有数量限制的
2. 一次只有一个写进程可以向数据区写入数据
3. 若一个写进程正在写入数据，则禁止任何进程访问数据区。

生产者/消费者问题不能看成读者/写者问题，因为生产者不仅仅是产生数据，它还会读取队列指针，确定在哪里写入，以及确定缓存区是否已经写满，消费者不仅仅是从队列中读取数据，它还会调整队列指针，以保证自己移走了一个资源。

死锁：一组相互竞争系统资源或者进行通信的进程间的永久阻塞，当一组进程中的每一个进程都在等待某个事件(等待释放请求的资源)，而且仅有这组进程中被阻塞的进程才能触发这个事件的时候。

资源分类：可重用资源和可消耗资源

1. 可重用资源：一次仅供一个进程安全的使用且不因使用而耗尽的资源。
2. 可消耗资源：可被创建和销毁的资源，通常对某种类型可消耗资源的数目没有限制，一个无阻塞的生产进程可以创建任意数目的这类资源

死锁条件：

• 三个必要条件

1. 互斥：一次只有一个进程可以使用资源。其它进程不能访问已经分配给其他进程的资源。
2. 占有且等待：当一个进程等待其它进程释放资源的时候，继续占有这个资源
3. 不可抢占：不能强行占据其他进程的资源

• 上面三个条件的一个潜在结果

1. 循环等待：存在一个闭合链，链中的进程至少占据链中下一个进程的所需的一个资源。

处理死锁的方式：预防，避免和检测

预防：

• 预防互斥：该条件不可能禁止
• 预防占有且等待：(1)让进程一次性请求所有需要的资源，并阻塞这个进程直到所有的资源均被访问到。该方法存在两个缺点：首先该进程可能被阻塞特别长的时间；另外分配给一个进程的资源，在很长的时间没有被用到；进程可能事先不知道它所请求的资源。
• 预防不可抢占：(1)占有某些资源的进程若进一步申请请求资源，那么拒绝，并且该进程必须释放所占有的资源。必要时可再次申请。(2)当一个进程请求被另外一个进程所占据的资源的时候，操作系统可以抢占这个占据资源的进程。要求释放资源。第二种方案只有在任意两个进程优先级不同的情况下，才有可能预防死锁。
• 预防循环等待：定义资源类型的线性访问顺序。即访问资源P后，下一个必须访问另一个资源Q

避免：通过判断当前的请求是否能导致死锁，来决定是否分配资源。

1. 进程启动拒绝：若一个进程的请求会导致死锁，那么禁止
2. 资源分配拒绝：若一个进程增加的资源请求会导致死锁，那么不允许这一资源分配。

优点：无需死锁预防中的抢占和回滚进程。且与死锁预防相比限制更少。

缺点：

1. 必须事先声明每个进程请求的最大资源
2. 进程执行顺序必须没有任何同步要求的限制
3. 分配的资源数量必须是固定的
4. 占有资源的时候，进程不能退出。

死锁检测：死锁检测不限制资源访问或约束进程行为。只要有可能，被请求的资源就被分配给进程。操作系统周期性地执行一个算法检测死锁条件4(循环等待)

恢复：死锁检测到之后，需要恢复，常见方法：

1. 直接取消所有的死锁进程。
2. 把死锁进程回滚到前面定义的某些检查点，并重新启动所有进程。
3. 连续取消死锁直到不在产生死锁
4. 连续抢占资源直到不再存在死锁。

总结：