16.进程同步与死锁——进程同步与信号量
2017-01-30 10:54
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1.进程合作:多进程共同完成一个任务
1.1 司机与售票员
// 司机 while(true) { //等待售票员关门的信号 启动车辆; 正常运行; 到站停车; } //售票员 while(true) { 关门; 售票; //等待司机到站停车的信号 开门; }
1.2 打印机
打印机按照打印队列执行打印,当打印队列中有 6个打印任务,2个进程同时添加打印任务,打印队列的第7个任务是哪个,需要协调小结
进程有自己的执行条件,有时执行 有时等待,执行完 可能也要 发出信号,让等待该信号的其他进程执行
进程同步 就是 进程有序的执行
1.3 生产者—消费者实例
//共享数据 #define BUFFER_SIZE 10 //缓存空间 typedef struct{...} item; item buffer[BUFFER_SIZE]; int in = out = counter = 0; //生产者进程 while(true){ //当产品 counter == BUFFER_SIZE 就不再生产了,缓存区满,生产者停 while(counter == BUFFER_SIZE) ; //产品没达到 BUFFER_SIZE,继续生产 buffer[in] = item; in = (in + 1) % BUFFER_SIZE; counter++;//生产者不断生产,发信号让消费者走 } //消费者进程 while(true){ //缓冲区空,消费者停 while(counter == 0) ; item = buffer[out]; out = (out + 1) % BUFFER_SIZE; counter--;//消费者不断消耗,发信号让生产者走 }
多进程配合,需要等待 阻塞
通过 进程的走走停停 来保证 多进程合作的 合理有序
等待是进程同步的核心
1.3.1 发信号存在的问题
//生产者 while(true){ //当 counter == BUFFER_SIZE,生产者 sleep,不再生产 if(counter == BUFFER_SIZE) sleep(); ... counter++; //当生产者发现 counter == 1,又有产品了,唤醒消费者 if(counter == 1) wakeup(消费者); } //消费者 while(true){ //当消费者发现 counter == 0,进入sleep,不再消费 if(counter == 0) sleep(); ... counter--; //当消费者发现 counter == BUFFER_SIZE - 1,就可以生产了,唤醒生产者 if(counter == BUFFER_SIZE - 1) wakeup(生产者); }
问题:
有多个生产者,P1生产一个item,放入缓冲区,缓冲区满了,P1 sleep
这时,P1 生产一个item,发现缓冲区已经满了,P1 sleep
消费者消耗了一个产品,counter == BUFFER_SIZE - 1,给消费者发信号,唤醒P1,P1 wakeup
消费者再消耗一个产品,counter == BUFFER_SIZE - 2,P2 不能被唤醒了
解决:
单纯依靠counter判断缓冲区的个数是不够的,还要知道有多少进程睡眠了
2.信号量
2.1 引出信号量
根据信号量 判断是否等待,是否执行信号量 int sem:
0 或者 负数,说明需要等待,让其他进程执行
0 :没有资源了
负数:欠资源了
正数:资源个数
举例:一种资源的数量是8
信号量 = 2:有2个资源可以使用
信号量 = -2,有2个进程在等待资源
上边生产者消费者的例子:
1.缓冲区满,P1执行,P1 sleep,sem = -1,表示一个进程睡眠了
2.P2执行,发现缓冲区满,P2 sleep,sem = -2,表示2个进程睡眠了
3.消费者C执行,wakeup P1,sem = -1
4.消费者C再执行一次,wakeup P2,sem = 0
5.消费者C再执行一次,sem = 1,消费者进程睡眠
6.P3执行,sem = 0,表示没有资源了
2.2 信号量的定义
信号量: 1965年,荷兰学者Dijkstra提出用一种特殊整型变量用来记录,信号用来sleep和wakeup// semaphore ['seməfɔː] n. 信号 struct semaphore { int value;//资源个数 PCB *queue;//等待该信号量的进程 } //消费资源,P来自荷兰语 proberen,即test P(semaphore s); //生产资源,V来自荷兰语 verhogen,即increment V(semaphore s); P(semaphore s) { s.value--; if(s.value < 0){ sleep(s.queue); } } V(semaphore s) { s.value++; if(s.value <= 0) { wakeup(s.queue); } }
2.3 用信号量解决生产者-消费者问题
缓存文件 buffer.txt,操作该缓存文件同时只能有一个进程在写该文件,定义互斥信号量mutex(互斥量)
当有进程在操作缓冲区内容时,P(mutex),造成进程等待
使用完 缓冲区文件,调用V(mutex),释放该文件资源,其他进程可以操作缓冲文件了
//用文件定义 共享缓冲区 int fd = open("buffer.txt"); write(fd, 0, sizeof(int));//写in write(fd, 0, sizeof(int));//写out //信号量的定义和初始化 semaphore full = 0;//生产的产品的个数 semaphore empty = BUFFER_SIZE;//空闲缓冲区的个数 semaphore mutex = 1;//互斥信号量 //生产者 Producer(item) { P(empty);//生产者先判断 缓存区个数 empty是否满了,empty == 0,阻塞 P(mutex);//操作文件前,用mutex防止其他进程操作该文件 读入in,将item写到in的位置上 V(mutex);//使用完文件,释放文件资源 V(full);//生产者生产产品,增加full,消费者就可以消费了 } //消费者 Consumer() { P(full);//当full == 0,缓冲区空了,阻塞 P(mutex); 读入out,从文件中的out位置读出到item,打印item; V(mutex); V(empty);//消费者消耗产品,增加缓冲区个数,增加empty,生产者就可以继续生产了 }
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