信号量与管程

2019-07-14 12:00发布

1.信号量:  1)信号量的定义: 每个信号量至少须记录两个信息:信号量的值和等待该信号量的进程队列。它的类型定义如下:(用类PASCAL语言表述)
    semaphore = record
         value: integer;
         queue: ^PCB;
       end;
  其中PCB是进程控制块,是操作系统为每个进程建立的数据结构。
s.value>=0时,s.queue为空;
s.value<0时,s.value的绝对值为s.queue中等待进程的个数
2)P,V原语: 对一个信号量变量可以进行两种原语操作:p操作和v操作,定义如下:   procedure p(var s:samephore);
     {
       s.value=s.value-1;
       if (s.value<0) asleep(s.queue);
     }
  procedure v(var s:samephore);
     {
       s.value=s.value+1;
       if (s.value<=0) wakeup(s.queue);
     }

其中用到两个标准过程:
  asleep(s.queue);执行此操作的进程的PCB进入s.queue尾部,进程变成等待状态
  wakeup(s.queue);将s.queue头进程唤醒插入就绪队列
s.value初值为1时,可以用来实现进程的互斥。
p操作和v操作是不可中断的程序段,称为原语。如果将信号量看作共享变量,则pv操作为其临界区,多个进程不能同时执行,一般用硬件方法保证。一个信号量只能置一次初值,以后只能对之进行p操作或v操作。
由此也可以看到,信号量机制必须有公共内存,不能用于分布式操作系统,这是它最大的弱点
 2.管程   信号量机制功能强大,但使用时对信号量的操作分散,而且难以控制,读写和维护都很困难。因此后来又提出了一种集中式同步进程——管程。其基本思想是将共享变量和对它们的操作集中在一个模块中,操作系统或并发程序就由这样的模块构成。这样模块之间联系清晰,便于维护和修改,易于保证正确性.    管程作为一个模块,它的类型定义如下:
    monitor_name = MoNITOR;
       共享变量说明;
       define 本管程内部定义、外部可调用的函数名表;
       use 本管程外部定义、内部可调用的函数名表;
       内部定义的函数说明和函数体
       {
         共享变量初始化语句;
       }
  从语言的角度看,管程主要有以下特性:
  (1)模块化。管程是一个基本程序单位,可以单独编译;
  (2)抽象数据类型。管程是中不仅有数据,而且有对数据的操作;
  (3)信息掩蔽。管程外可以调用管程内部定义的一些函数,但函数的具体实现外部不可见;
对于管程中定义的共享变量的所有操作都局限在管程中,外部只能通过调用管程的某些函数来间接访问这些变量。因此管程有很好的封装性。
为了保证共享变量的数据一致性,管程应互斥使用。 管程通常是用于管理资源的,因此管程中有进程等待队列和相应的等待和唤醒操作。在管程入口有一个等待队列,称为入口等待队列。当一个已进入管程的进程等待时,就释放管程的互斥使用权;当已进入管程的一个进程唤醒另一个进程时,两者必须有一个退出或停止使用管程。在管程内部,由于执行唤醒操作,可能存在多个等待进程(等待使用管程),称为紧急等待队列,它的优先级高于入口等待队列。
因此,一个进程进入管程之前要先申请,一般由管程提供一个enter过程;离开时释放使用权,如果紧急等待队列不空,则唤醒第一个等待者,一般也由管程提供外部过程leave。
管程内部有自己的等待机制。管程可以说明一种特殊的条件型变量:var c:condition;实际上是一个指针,指向一个等待该条件的PCB队列。对条件型变量可执行wait和signal操作:
    wait(c):若紧急等待队列不空,唤醒第一个等待者,否则释放管程使用权。执行本操作的进程进入C队列尾部;
    signal(c):若C队列为空,继续原进程,否则唤醒队列第一个等待者,自己进入紧急等待队列尾部。