操作系统W7: 进程间通信

阅读数: 次 2020-04-20

2.2进程间通信

如何保证多进程程序运行的结果是确定的?

可能的方法

关中断/锁变量

操作不是原子的，则还会是出现问题。
问题的根源还在于操作的可以被打断
故锁变量仍然存在竞争条件

严格交替法

确保两个进程严格轮流进入临界区

避免同时进入临界区

忙等待

测试是否可以进入临界区(进程自身的一段代码，这段代码有访问共享变量的可能)，不允许则该进程忙等待直至许可为止

Peterson互斥解法

Enter_region(int process_id);
临界区
leaver_region();

while(turn==process&&interested[other]==TRUE);/这个地方的意思是while的空转，注意这个分号/

busy loop

TSL解法

测试并上锁(保证原子性)
执行TSL指令的CPU将锁住内存总线以禁止其他CPU在本指令结束之前访问内存。

无论是硬件解法还是软件解法都实现了busy loop

若等待时间过长可能会造成CPU时间的浪费。

非忙等待：睡眠等待(睡眠和唤醒)

忙等待的问题：

优先级的翻转问题：对于优先级有高低的两个进程，优先级高的进程会不停的在忙等待优先级低的进程，但优先级低的进程因为较低的优先级不能被调度，所以会形成这种困境。

睡眠等待

无法进入临界区时将阻塞，而不是忙等待
最简单的是睡眠(SLEEP)和唤醒(Wake up)

含竞争条件的生产者和消费者问题(if语句执行时的被打断)

由于对count的访问未加限制，会导致生产者添满整个缓冲区。
增加唤醒等待位。

信号量与原语

原语

定义：由若干条指令构成的“原子操作”过程。c.f.原子操作
并不是所有系统调用都是原语

信号量和P、V原语

一个信号量的值可以为0，表示没有积累下来的唤醒操作。
“二进制信号量”

Down 和 up

down操作(检查信号量值是否大于0)

检查信号量的值是否大于0.

组成步骤：检查数值/改变数值

都作为单一的不可分割的操作完成。c.f.if的可分割。

up操作(递增信号量的值)

如果有一个或多个进程在该信号量上睡眠，则由系统选择其中(random)一个并允许其完成它的down操作
如果有一个进程在其上睡眠的信号量执行…
进程执行up操作时不会被阻塞。

利用信号量解决生产者-消费者问题【考试】

#define N 100
typedef int semaphore;//信号量
semaphore mutex=1;
semaphore empty=N;
semaphore full=0;
/*生产者向其中放，而消费者从其中取*/
//对于生产者来说：要看里面有多少空
//消费者：有多少放满的槽（slot）
void producer(void){
  int item;
  while(TRUE){
    item=produce_item();
    down(&empty);//看empty是否为0，如果为0，则进入睡眠等待唤醒。
    down(&mutex);//*（1）
    insert_item(item);
    up(&mutex);//*（2）
    up(&full);//提醒消费者
  }
  /*两个互斥的信号量保证修改缓冲区的操作是互斥的*/
}

互斥

利用信号量实现互斥

P(mutex);【加锁】

/Code section/

V(mutex);【解锁】

/remainder Code section/

定义锁变量，加锁/解锁

注意pV 需要成对使用和次序。

管程(monitor)

为了保证分布式程序的100%OK。
排除掉系统的语义bug
基本思想：将信号量和操作原语封装到一个对象内部。
- 特殊的模块/软件包

主要特性

模块化
信息封装(半透明)的。

管程的实现要素

管程的共享变量在管程外部不可见
管程互斥进入
管程->管理资源，因而在管程中应当设有 进程等待队列以及相应的等待及唤醒操作

条件变量

当进入管程的进程因资源被占用等原因不能继续运行时使其等待。

每个表示一种等待原因，相当于每个原因对应一个队列。

消息传递

进程间通讯

SEND
RECEIVE

消息传递系统要点：

防止消息丢失：ACK
区分新老消息：编号
消息系统解决进程命名的问题：以明确在SEND和RECEIVE调用中所指定的进程。

MPI例子

MPI：消息传递机制的一种。
通过MPI run在两台机器上运行。

/*从A机器上的P1给B机器上的P2发送消息*/
int myrank;/*mpi给的进程编号*/
MPI_Common_rank(MPI_COMM_WORLD，&myrank);/*得到当前进程的标识*/
if(myrank==0){
  /*若是0进程*/
}else if(myrank==1){
  /*若是1进程*/
}