第5章 并行性：互斥及同步

1、目錄目錄n第一部分 概論n 第1章 引論n 第2章 操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境n第二部分 進(jìn)程、多線(xiàn)程和并行性n 第3章 進(jìn)程管理n 第4章 多線(xiàn)程n 第5章 并行性：互斥和同步n第三部分 處理器管理、死鎖n 第6章 多處理器管理系統(tǒng)和處理器管理n 第7章 死鎖目錄目錄n第四部分 主存儲(chǔ)器管理n 第8章 實(shí)存儲(chǔ)器管理技術(shù)n 第9章 虛擬存儲(chǔ)管理n第五部分 設(shè)備和文件管理n 第10章 設(shè)備管理n 第11章 文件系統(tǒng)n第六部分 分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和范例n 第12章 分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)n 第13章 微內(nèi)核、操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)n 第14章 Windows NT 操作系統(tǒng)第 5 章 并行性：互斥和同

2、步5.1 概論5.2 臨界段5.2.1 臨界段的提出5.2.2 臨界段的互斥要求5.3 互斥 5.3.1互斥的軟件方法 5.3.2互斥的硬件方法5.4 信號(hào)量5.4.1 信號(hào)量5.4.2 信號(hào)量及同步原語(yǔ)5.4.3 同步原語(yǔ)的不可分割性5.4.4 用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間互斥5.4.5 生產(chǎn)者和消費(fèi)者問(wèn)題5.4.6 閱讀者和寫(xiě)入者問(wèn)題第 5 章 并行性：互斥和同步5.5 管程5.5.1 管程的定義5.5.2 用管程實(shí)現(xiàn)同步5.6 進(jìn)程間的通信5.6.1 進(jìn)程通信的實(shí)現(xiàn)5.6.2 間接通信模式5.6.3 其他通信模式5.7 UNIX的進(jìn)程同步和通信5.7.1 管道（pipes）5.7.2 消息5.7.

3、3 共享主存段5.7.4 信號(hào)量5.7.5 信號(hào)或軟中斷5.8 Solaris線(xiàn)程同步原語(yǔ)5.1 5.1 概概 論論提高效率、性能并行多道程序設(shè)計(jì)多處理器系統(tǒng)分布式處理系統(tǒng)帶來(lái)問(wèn)題：可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致性，結(jié)果的不可再現(xiàn)。解決： 保證并發(fā)進(jìn)程的正確執(zhí)行順序的機(jī)制 例如：不可再現(xiàn)性程序A 程序BN=N+1; print(N); N=0;設(shè)某時(shí)刻N(yùn)=n;程序A執(zhí)行結(jié)果：程序A 程序Bn+1 n+1 0 例如：不可再現(xiàn)性程序A 程序BN=N+1; print(N); N=0;設(shè)某時(shí)刻N(yùn)=n;程序A執(zhí)行結(jié)果：程序A 程序Bn+1 n 0 例如：不可再現(xiàn)性程序A 程序BN=N+1; print(N);

4、N=0;設(shè)某時(shí)刻N(yùn)=n;程序A執(zhí)行結(jié)果：程序A 程序B1 n 0 進(jìn)程間的關(guān)系n直接感知(雙方直接交互，如通信) n間接感知(雙方都與第三方交互，如共享文件等軟資源) n相互不感知(完全不了解其它進(jìn)程的存在) 相互感知程度相互感知程度 交互關(guān)系交互關(guān)系 一個(gè)進(jìn)程對(duì)其他進(jìn)一個(gè)進(jìn)程對(duì)其他進(jìn)程程的影響的影響 直接感知(雙方直接交互，如通信) 通過(guò)通信進(jìn)行協(xié)作 一個(gè)進(jìn)程的結(jié)果，依賴(lài)于從其他進(jìn)程獲得的信息 間接感知(雙方都與第三方交互，如共享資源) 通過(guò)共享進(jìn)行協(xié)作 一個(gè)進(jìn)程的結(jié)果，依賴(lài)于從其他進(jìn)程獲得的信息 相互不感知(完全不了解其它進(jìn)程的存在) 競(jìng)爭(zhēng) 一個(gè)進(jìn)程的操作，對(duì)其他進(jìn)程的結(jié)果無(wú)影響 進(jìn)程的同

5、步SynchronismSynchronism 多個(gè)進(jìn)程中發(fā)生的事件，存在某種時(shí)序關(guān)系，需要相互合作，共同完成一項(xiàng)任務(wù)。 一個(gè)進(jìn)程，運(yùn)行到某一點(diǎn)時(shí)，要求另一伙伴進(jìn)程為它提供消息，n在未獲得消息之前，該進(jìn)程處于等待狀態(tài)，n獲得消息后，被喚醒進(jìn)入就緒狀態(tài)例子 到站停車(chē)到站停車(chē) 開(kāi)開(kāi) 車(chē)車(chē) 開(kāi)開(kāi) 車(chē)車(chē) 門(mén)門(mén) 關(guān)關(guān) 車(chē)車(chē) 門(mén)門(mén) 售售 票票 正常行車(chē)正常行車(chē)。售票員售票員司機(jī)司機(jī)進(jìn)程的互斥Mutual ExclusionMutual Exclusion各進(jìn)程要求共享資源，有些資源需要排他地使用，A進(jìn)程使用時(shí)，B進(jìn)程就不能用，各進(jìn)程間競(jìng)爭(zhēng)地使用這些資源。進(jìn)程同步和互斥間的關(guān)系n相似相似： 互斥，是同步的一

6、種特殊情況； 互斥和同步,統(tǒng)稱(chēng)為進(jìn)程同步。n差別差別：進(jìn)程同步和互斥間的關(guān)系n相似相似n差別差別： 進(jìn)程互斥是進(jìn)程間競(jìng)爭(zhēng)共享資源的使用權(quán) ，這種競(jìng)爭(zhēng)沒(méi)有固定的必然聯(lián)系，哪個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)到使用權(quán)就歸那個(gè)進(jìn)程使用，直到不需要使用時(shí)再歸還； 進(jìn)程同步，涉及共享資源的并發(fā)進(jìn)程間，有一種必然的聯(lián)系，即使無(wú)進(jìn)程在使用共享資源時(shí)，那么尚未得到同步消息的進(jìn)程，也不能去使用這個(gè)資源。5.2 5.2 臨界段臨界段5.2.1 5.2.1 臨界段的提出臨界段的提出 我們考察這樣兩個(gè)例子。 例例1 1 下面再考察一個(gè)更貼近機(jī)器指令級(jí)的一個(gè)并行性中進(jìn)程間關(guān)系的例子。例例2 2 考慮有兩個(gè)進(jìn)程P1和P2，二者異步地增加代表某資

7、源數(shù)量的一個(gè)公共變量x。 P1：； x:=x+1； P2：； x:=x+1；設(shè)C1和C2是共享主存的雙機(jī)系統(tǒng)中的兩個(gè)處理器，它們分別有內(nèi)部通用寄存器R1和R2。假定P1正在C1上執(zhí)行，而P2正在C2上執(zhí)行，那么下面兩個(gè)執(zhí)行順序均有可能發(fā)生：(1) P1:，R1:=x；Rl:=Rl+1；x:=Rl； P2:， R2:=x；R2:=R2+1；x:=R2； t0 t(2) P1:，R1:=x；R1:=Rl+1；x:=R1； P2:=， R2:=x；R2:=R2+1；x:=R2；這兩個(gè)例子為什么都出了問(wèn)題? 問(wèn)題在于這兩個(gè)例子中的in和x都是互斥性使用的共享變量，就是說(shuō)進(jìn)程必須互斥地對(duì)共享變量進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)

8、。5.2.2 5.2.2 臨界段的互斥要求臨界段的互斥要求臨界資源（Critical Resource）： 系統(tǒng)中某些資源，一次只允許一個(gè)進(jìn)程使用，稱(chēng)這樣的資源為臨界資源，或互斥資源。臨界段（Critical Sections）： 進(jìn)程中訪(fǎng)問(wèn)共享變量的代碼段”稱(chēng)為臨界段(critical sections)。因此例1中的進(jìn)程A和進(jìn)程B關(guān)于in臨界段是： (in)nextfreeitem /in的內(nèi)容送入nextfreeitem。 將要打印的文件名nextfreeitem所指出的目錄中 (nextfreeitem)+l in將in增1。臨界資源是：in例2中進(jìn)程P1和P2關(guān)于x的臨界段是： “R

9、:=x；R:=R+l；x:=R”臨界資源是：x 需要指出的是，并行進(jìn)程間關(guān)于同一個(gè)共享變量的操作可能是不同的(例如例2中進(jìn)程P1和P2是買(mǎi)票，而又有一個(gè)進(jìn)程P3可能是退票)。因而不同進(jìn)程關(guān)于同一變量的臨界段代碼可能是完全不同的(本節(jié)例1、例2中臨界段代碼剛好相同)。 為了使系統(tǒng)中并行進(jìn)程正確而有效地訪(fǎng)問(wèn)共享變量(又稱(chēng)臨界資源)，對(duì)進(jìn)程互斥地使用臨界段有以下原則：原則：(1)(1)在共享同一個(gè)臨界資源的所有進(jìn)程中，每次只允許有一個(gè)進(jìn)程處于它的臨在共享同一個(gè)臨界資源的所有進(jìn)程中，每次只允許有一個(gè)進(jìn)程處于它的臨界段之中。界段之中。(2)(2)若有多個(gè)進(jìn)程同時(shí)要求進(jìn)入它們的臨界段時(shí)，應(yīng)在有限的時(shí)間內(nèi)讓

10、其中之若有多個(gè)進(jìn)程同時(shí)要求進(jìn)入它們的臨界段時(shí)，應(yīng)在有限的時(shí)間內(nèi)讓其中之一進(jìn)入臨界段。一進(jìn)入臨界段。(3)(3)進(jìn)程只應(yīng)在臨界段內(nèi)逗留有限時(shí)間。進(jìn)程只應(yīng)在臨界段內(nèi)逗留有限時(shí)間。(4)不應(yīng)使要進(jìn)入臨界段的進(jìn)程無(wú)限期地等待在臨界段之外。不應(yīng)使要進(jìn)入臨界段的進(jìn)程無(wú)限期地等待在臨界段之外。(5)在臨界段之外運(yùn)行的進(jìn)程不可以阻止其他的進(jìn)程進(jìn)入臨界段。在臨界段之外運(yùn)行的進(jìn)程不可以阻止其他的進(jìn)程進(jìn)入臨界段。(6)在解決臨界段問(wèn)題時(shí)，不要預(yù)期和假定進(jìn)程進(jìn)展的相對(duì)速度以及可用的處在解決臨界段問(wèn)題時(shí)，不要預(yù)期和假定進(jìn)程進(jìn)展的相對(duì)速度以及可用的處理器數(shù)目。理器數(shù)目。5.3 5.3 互斥互斥5.3.1 5.3.1 互斥

11、的軟件方法互斥的軟件方法通過(guò)平等協(xié)商方式，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥的最初方法是軟件方法 其基本思路：在進(jìn)入?yún)^(qū)，檢查和設(shè)置一些標(biāo)志，如果已有進(jìn)程在臨界區(qū)，則在進(jìn)入?yún)^(qū)通過(guò)循環(huán)檢查進(jìn)行等待；在退出區(qū)修改標(biāo)志 主要問(wèn)題：設(shè)置什么標(biāo)志如何檢查標(biāo)志n下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)研究臨界段互斥執(zhí)行的軟件解決辦法。例例3 有兩個(gè)并行進(jìn)程P0和P1，互斥地共享單個(gè)資源(如磁帶機(jī)或某共享數(shù)據(jù))。P0和P1是一個(gè)循環(huán)進(jìn)程(指進(jìn)程執(zhí)行一個(gè)無(wú)限循環(huán)程序)，每次只使用資源為一個(gè)有限的時(shí)間間隔。n注意：以下介紹的方法不完全正確，這些方法之所以值得介紹，是它們顯示出了在開(kāi)發(fā)并行程序時(shí)存在的通病，同時(shí)也表示了軟件方法解決互斥和同步問(wèn)題的困難和邏輯上

12、的復(fù)雜性。 類(lèi)PASCAL描述語(yǔ)句與C對(duì)比nbegin endbegin endnrepeat . Foreverrepeat . Forevernrepeat . until P repeat . until P nwhile P do while P do begin endbegin endnfunction name1(.):typefunction name1(.):typenprocedure name2(.)procedure name2(.)nvar i,j:integer;var i,j:integer;nvar x:array0.9 of var x:array0.9 of

13、 integer;integer;ni:=1;i:=1;n,=,and,or,not,=,and,or,notnnfor (;)for (;)或或while 1 do .while 1 do .ndo.while !Pdo.while !Pnwhile P do.while P do.ntype name1(.)type name1(.)nvoid name2(.)void name2(.)nint i,j;int i,j;nint x10;int x10;ni=1;i=1;n!=,!=,&,|,!,&,|,!方法一:進(jìn)程標(biāo)志位nvar flag:array0.1 of boo

14、lean;Pi:begin repeatwhile flagj do skip;flagi:=true; ; flagi:=false; foreverend問(wèn)題:當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程的標(biāo)志位，初值均為false時(shí),而切換發(fā)生在此處，則都進(jìn)入臨界段!/Pj在臨界段檢測(cè)和設(shè)檢測(cè)和設(shè)置中間發(fā)置中間發(fā)生問(wèn)題！生問(wèn)題！方法二:臨界段進(jìn)程指針nvar turn:0.1; 此句課本有誤Pi:begin repeatwhile turni do skip; turn:=j; forever end若turn=i, 則進(jìn)程Pi進(jìn)入臨界段問(wèn)題: Pi一定要等待Pj進(jìn)入過(guò)后，才可以再次進(jìn)入!(臨界資源利用率不高)方法三:改

15、進(jìn)解法一nPi:begin repeatflagi:=true; while flagj do skip; flagi:=false; foreverend想進(jìn)入 CS有Pj在 CS問(wèn)題:當(dāng)切換發(fā)生在此處，兩個(gè)進(jìn)程各自標(biāo)志位為true，于是互相等待而阻塞了自己設(shè)置和檢設(shè)置和檢測(cè)中間發(fā)測(cè)中間發(fā)生問(wèn)題！生問(wèn)題！方法四：Dekker算法var flag:array0.1 of boolean; turn:0.1;標(biāo)志的含義：標(biāo)志的含義：nflagi=true 進(jìn)程Pi要進(jìn)入臨界段nturn=i 應(yīng)該由進(jìn)程Pi進(jìn)入臨界段.Pi:begin repeat flagi:=true; while flagj

16、 do if turn=j then flagi:=false; while turn=j do skip; flagi:=true; 進(jìn)程Pi的臨界段代碼CSi; turn:= j; flagi:=false; 進(jìn)程Pi的其它代碼; forever endPi想要進(jìn)入CS可能切換到Pj， Pj也想進(jìn)入應(yīng)該由Pj進(jìn)入？撤銷(xiāo)Pi標(biāo)志Pj進(jìn)入期間Pj退出后恢復(fù)標(biāo)志方法五 Dekker算法擴(kuò)充到n個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)公用變量的情況.var flag:array0.n-1 of (idle,want_in,in_cs);turn:0.n-1;Pi:begin var j:integer;var j:inte

17、ger;repeat repeat repeat flagi:=want_in;flagi:=want_in;while turni do if flagturn=idlewhile turni do if flagturn=idle then turn:=i; then turn:=i; flagi:=in_cs;flagi:=in_cs;j:=0;j:=0;while (jn)and (j=i or flagjin_cs)while (jn)and (j=i or flagjin_cs) do j:=j+1; do j:=j+1; until j=n; until j=n; 進(jìn)入進(jìn)入Pi的

18、CSiCSi； flagi:= idle;flagi:= idle;進(jìn)入進(jìn)入Pi的其他代碼；ForeverForeverEndEnd軟件解法的缺點(diǎn) 1. 忙等待 2. 實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜 3. 需要高的編程技巧5.3.2 互斥的硬件方法n1、中斷屏蔽方法n2、硬件指令方法用一條指令完成讀和寫(xiě)，保證讀與寫(xiě)不被打斷。中斷屏蔽方法屏蔽中斷；進(jìn)程P的臨界段；開(kāi)中斷；n簡(jiǎn)單，有效n較高的代價(jià)，限制CPU并發(fā)能力n不適應(yīng)多處理器硬件指令方法提供專(zhuān)門(mén)的硬件指令，允許對(duì)一個(gè)字的內(nèi)容進(jìn)行檢測(cè)和修正，或交換兩個(gè)字的內(nèi)容優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、有效，特別適用于多處理機(jī)缺點(diǎn)：忙等待硬件解法 (1) “測(cè)試并設(shè)置”指令function

19、Test_and_Set(varflag:boolean):boolean BeginTest_and_Set:=flag;flag:= true;End“測(cè)試并設(shè)置”指令 實(shí)現(xiàn)互斥為每個(gè)臨界段設(shè)置一個(gè)布爾變量,如lock:false 臨界段未被用 true 正有進(jìn)程在臨界段中運(yùn)行repeat while TS(lock) do Skip; 進(jìn)程Pi的臨界段代碼CS; lock:=false; 進(jìn)程Pi的其它代碼;forever對(duì)比83頁(yè) 解法一硬件解法 (2) “交換”指令procedure SWAP(var a,b:boolean)var temp: boolean begintemp:=

20、 a;a:= b;b:= temp; end“交換”指令 實(shí)現(xiàn)互斥repeat key:=true; repeat Swap(lock,key);until key=false; 進(jìn)程Pi的臨界段代碼CS;lock:=false;進(jìn)程Pi的其它代碼;forever為每個(gè)臨界段設(shè)置一個(gè)布爾變量,lock:false 表示臨界段未被用 lock: true表示正有進(jìn)程在臨界段中運(yùn)行目錄n1、概論n2、臨界段n3、互斥n4、信號(hào)量、信號(hào)量semaphoren5、管程n6、進(jìn)程間的通信4、信號(hào)量、信號(hào)量semaphore信號(hào)量機(jī)制：一種解決進(jìn)程的同步與互斥的工具同步機(jī)制應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求：* 描述能力*

21、 可以實(shí)現(xiàn)* 效率高* 使用方便進(jìn)程的同步機(jī)制1965年，由荷蘭學(xué)者Dijkstra提出(1972年獲得ACM圖靈獎(jiǎng)，2002年8月去世）。n“信號(hào)量”：n是一個(gè)具有非負(fù)初值的整型變量，并且有一個(gè)隊(duì)列與它關(guān)聯(lián)。n不是普通的變量，只能進(jìn)行Wait、Signal操作1）信號(hào)量2）信號(hào)量上的同步原語(yǔ)原語(yǔ)nWait(S)：將S減1，若信號(hào)量S0，則進(jìn)程等待。nSignal(S)：將信號(hào)量S加1， 若S=0時(shí)，表示該類(lèi)資源的可用資源數(shù)nS0時(shí)，每執(zhí)行一次Wait操作，意味著請(qǐng)求分配一個(gè)單位的該類(lèi)資源，即 S:=S-1；nS0時(shí)，執(zhí)行Wait操作，此時(shí)已無(wú)資源可分配，故進(jìn)程被阻塞；nS0時(shí)，執(zhí)行Wait操

22、作，說(shuō)明前面已經(jīng)有進(jìn)程在等待著分配資源了。S的絕對(duì)值 = 該信號(hào)量上等待的進(jìn)程數(shù)。Signal操作的物理意義n每執(zhí)行一次Signal操作，意味著進(jìn)程釋放一個(gè)單位的該類(lèi)可用資源，即S:=S+1。nS若干個(gè)可并行執(zhí)行的進(jìn)程協(xié)同完成一個(gè)工作（同步）在進(jìn)程之間的信息交換（進(jìn)程通信）。進(jìn)程的同步是一種通信方式，進(jìn)程之間建立必要的聯(lián)系，協(xié)調(diào)它們的運(yùn)行。1）進(jìn)程通信方式n低級(jí)通信：進(jìn)程之間控制信息的交換,達(dá)到控制進(jìn)程執(zhí)行速度的作用。信息量較少。 信號(hào)量機(jī)制作為同步工具是卓有成效的，但作為通訊工具則不夠理想:效率低, 通訊對(duì)用戶(hù)不透明。高級(jí)通信：交換信息量較多。2）高級(jí)通訊機(jī)制類(lèi)型n1 消息傳遞系統(tǒng)(Mess

23、age passing System)n2管道(pipe)通信系統(tǒng)n3共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)(Shared-Memory System)2.1）消息傳遞系統(tǒng)消息緩沖通訊技術(shù)由Hansen 首先提出的，基本思想是：根據(jù)“生產(chǎn)者消費(fèi)者關(guān)系”原理，利用公用消息緩沖區(qū),實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的信息交換。2.1）消息傳遞系統(tǒng)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換，是以消息(message)為單位。直接利用系統(tǒng)提供的一組通訊命令（原語(yǔ)）來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊。據(jù)實(shí)現(xiàn)方法，可分為 直接通信方式（消息緩沖機(jī)制）間接通信方式（信箱通信方式）直接通信直接通信（消息緩沖機(jī)制）發(fā)送進(jìn)程發(fā)送進(jìn)程：直接將消息發(fā)送給接收進(jìn)程，并將它掛在接收進(jìn)程的消息緩沖隊(duì)列上。接收進(jìn)程接收進(jìn)

24、程：從消息緩沖隊(duì)列中取得消息。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信號(hào)量：消息、消息緩沖區(qū)、消息隊(duì)列通信原語(yǔ)：Send；Receive；消息的一般形式n 接收消息的進(jìn)程名n 發(fā)送消息的進(jìn)程名n 消息長(zhǎng)度n 消息正文消息緩沖區(qū)消息緩沖區(qū)是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) sender： 消息發(fā)送者名 size： 消息長(zhǎng)度 Text： 消息正文 Next： 下一個(gè)消息的鏈指針發(fā)送原語(yǔ)接收原語(yǔ)間接通信（信箱通訊方式）發(fā)送進(jìn)程發(fā)送進(jìn)程：不是把消息直接發(fā)送給接收者進(jìn)程，而是將消息發(fā)送到一個(gè)共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（一般稱(chēng)為信箱）中。接收進(jìn)程接收進(jìn)程：從信箱中取得消息。間接通信（信箱通訊方式）發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程四種關(guān)系：發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程四種關(guān)系：n一對(duì)一關(guān)系

25、一對(duì)一關(guān)系：可以為發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程建立一條專(zhuān)用的通信鏈路；n多對(duì)一關(guān)系：多對(duì)一關(guān)系：允許提供服務(wù)的進(jìn)程與多個(gè)用戶(hù)進(jìn)程進(jìn)行交互，（客戶(hù)/服務(wù)器）；n一對(duì)多關(guān)系：一對(duì)多關(guān)系：允許一個(gè)發(fā)送進(jìn)程與多個(gè)接收進(jìn)程交互，使發(fā)送進(jìn)程用廣播的形式，發(fā)送消息；n多對(duì)多關(guān)系：多對(duì)多關(guān)系：允許建立一個(gè)公用信箱，讓多個(gè)進(jìn)程都能向信箱投遞消息，也可取走屬于自己的消息。2.2）管道（pipe）n由UNIX首創(chuàng)，一種借助文件和文件系統(tǒng)形成的一種通信方式。 n 管道是以文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)。消息緩沖通信機(jī)構(gòu)，是以?xún)?nèi)存緩沖區(qū)為基礎(chǔ)。n字符流方式寫(xiě)入讀出n先進(jìn)先出順序管道 是指用于連接一個(gè)讀進(jìn)程，和一個(gè)寫(xiě)進(jìn)程，以實(shí)現(xiàn)它們之間通信的共享

26、方式，又稱(chēng)pipe文件。發(fā)送進(jìn)程（即寫(xiě)進(jìn)程）：向管道（共享文件）提供輸入的，以字符流形式將大量的數(shù)據(jù)送入管道；接收進(jìn)程（即讀進(jìn)程）：可從管道接收數(shù)據(jù)。為了協(xié)調(diào)雙方通信，管道通信必須提供三方面的協(xié)調(diào)能力：互斥、同步、對(duì)方是否存在。2.3）共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)n共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)：相互通訊的進(jìn)程通過(guò)共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行通訊。n為了傳送大量數(shù)據(jù)，在存儲(chǔ)區(qū)中劃出一塊共享存儲(chǔ)區(qū)，諸進(jìn)程可通過(guò)對(duì)共享存儲(chǔ)區(qū)，進(jìn)行讀或?qū)憯?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通訊。 向系統(tǒng)申請(qǐng)共享存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)分區(qū)指定該分區(qū)的關(guān)鍵字如果已經(jīng)給其他進(jìn)程分配了這樣的存儲(chǔ)區(qū)，將使用分區(qū)的描述符返回給申請(qǐng)者申請(qǐng)者將申請(qǐng)到的共享分區(qū)，掛到本進(jìn)程上5.6 5.6 進(jìn)程間的

27、通信進(jìn)程間的通信 為提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源利用率和作業(yè)的處理速度，一個(gè)作業(yè)通常被分為若干個(gè)可并行執(zhí)行的進(jìn)程。這些進(jìn)程是異步的、相對(duì)獨(dú)立地向前推進(jìn)。但由于它們是協(xié)同地完成一個(gè)由于它們是協(xié)同地完成一個(gè)共同的作業(yè)，所以它們應(yīng)保持一定的聯(lián)系，以便協(xié)調(diào)地完成共同的作業(yè)，所以它們應(yīng)保持一定的聯(lián)系，以便協(xié)調(diào)地完成任務(wù)。這種聯(lián)系就是指在進(jìn)程間交換一定數(shù)量的信息任務(wù)。這種聯(lián)系就是指在進(jìn)程間交換一定數(shù)量的信息稱(chēng)稱(chēng)為進(jìn)程通信。進(jìn)程通信不但存在于一個(gè)作業(yè)的諸進(jìn)程間，而為進(jìn)程通信。進(jìn)程通信不但存在于一個(gè)作業(yè)的諸進(jìn)程間，而且也存在于共享有關(guān)資源的進(jìn)程之間，以及客戶(hù)與服務(wù)器進(jìn)且也存在于共享有關(guān)資源的進(jìn)程之間，以及客戶(hù)與服務(wù)器

28、進(jìn)程之間。程之間。 進(jìn)程間通信時(shí)所交換的信息量可多可少。少者僅是一些狀態(tài)和數(shù)據(jù)的變換，多者可以是一個(gè)相當(dāng)大的文件。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和多機(jī)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普遍應(yīng)用，進(jìn)程間的通信正變得越來(lái)越重要越普遍。目前各系統(tǒng)中使用的進(jìn)程間通信的實(shí)現(xiàn)模式有很多種，下面先具體剖析一種常用的通信模式的實(shí)現(xiàn)方法。5.6.1 5.6.1 進(jìn)程直接通信的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程直接通信的實(shí)現(xiàn) 這是用得比較廣泛的進(jìn)程間直接通信模式的一種，采用多個(gè)發(fā)送者，一個(gè)接收者，接收者使用阻塞等待(即沒(méi)有等待的消息則把自己阻塞在消息隊(duì)列的信號(hào)量上)，發(fā)送者不阻塞(即發(fā)送者發(fā)消息后不等待回答，繼續(xù)向前執(zhí)行)的模式。1.1.同步機(jī)制與數(shù)

29、據(jù)結(jié)構(gòu)同步機(jī)制與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在直接通信模式下，接收者進(jìn)程常使用消息隊(duì)列來(lái)管理各發(fā)送者進(jìn)程發(fā)送來(lái)的消息。通常發(fā)送者在自己的工作區(qū)中按消息的數(shù)據(jù)格式形成一個(gè)消息，然后在公用存儲(chǔ)區(qū)申請(qǐng)一個(gè)消息緩沖區(qū)，把消息放入消息緩沖區(qū)中，并鏈入接收者進(jìn)程的消息隊(duì)列中去。由于消息隊(duì)列將被接收者和發(fā)送者異步地訪(fǎng)問(wèn)，這是一個(gè)相當(dāng)于生產(chǎn)者和消費(fèi)者的同步問(wèn)題，所以要有一個(gè)互斥信號(hào)量以保證對(duì)消息隊(duì)列的互斥訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)還要有當(dāng)消息隊(duì)列為空時(shí)，使接收者進(jìn)程阻塞等待的信號(hào)量或條件變量。 所以要有以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信號(hào)量：(1)(1)消息和消息緩沖區(qū)消息和消息緩沖區(qū) 消息 消息中至少要包含以下信息：目標(biāo)(接收者)進(jìn)程id，發(fā)送者進(jìn)程id，消

30、息大小，消息正文。消息是由發(fā)送者進(jìn)程所形成的。 消息緩沖區(qū) 發(fā)送者進(jìn)程id，消息大小，消息正文和用于形成消息隊(duì)列的鏈指針。(2)(2)消息隊(duì)列消息隊(duì)列 由于消息隊(duì)列要被多個(gè)進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)，所以消息隊(duì)列是由在公用存儲(chǔ)區(qū)中的消息緩沖區(qū)鏈結(jié)而成的。消息隊(duì)列的頭指針通常在接收者進(jìn)程的進(jìn)程控制塊PCB內(nèi)。隊(duì)列可按先進(jìn)先出和優(yōu)先級(jí)原則來(lái)組織。(3)(3)同步機(jī)制同步機(jī)制 需要一個(gè)互斥信號(hào)量如mutex和等待信號(hào)量(或條件變量)如Swait。通常這兩個(gè)信號(hào)量也放在接收者進(jìn)程的PCB中。2.2.通信原語(yǔ)通信原語(yǔ) 實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，至少需要以下兩個(gè)通信原語(yǔ)： Send(目標(biāo)進(jìn)程Id，消息)； .發(fā)送原語(yǔ) Receive

31、(源進(jìn)程Id，消息)； .接收原語(yǔ)(1)Send的工作流程 申請(qǐng)消息緩沖區(qū)將消息正文傳送到消息緩沖區(qū)正文部分向消息緩沖區(qū)填寫(xiě)消息頭部查尋目標(biāo)進(jìn)程PCB并對(duì)互斥信號(hào)量mutex執(zhí)行Wait操作將消息緩沖區(qū)鏈入消息隊(duì)列對(duì)等待信號(hào)量Swait做Signal操作對(duì)互斥信號(hào)量mutex作Signal操作。(2)Receive(2)Receive的工作流程的工作流程 對(duì)自己PCB中的Swait信號(hào)量做Wait操作對(duì)互斥信號(hào)量mutex執(zhí)行Wait操作將消息隊(duì)列中的第一個(gè)消息(頭指針?biāo)赶虻?移入進(jìn)程工作區(qū)將消息隊(duì)列頭指針指向下一個(gè)消息釋放原第一個(gè)消息的消息緩沖區(qū)對(duì)mutex執(zhí)行Signal操作。 如果消息

32、隊(duì)列為空，那么第一個(gè)Waitx操作，將使接收者進(jìn)程阻塞在Swait信號(hào)量上，直到發(fā)送者進(jìn)程執(zhí)行Send原語(yǔ)中，在Swait信號(hào)量上的Signal操作才使接收者進(jìn)程恢復(fù)為就緒或運(yùn)行狀態(tài)。5.6.2 5.6.2 間接通信模式間接通信模式 間接通信是指發(fā)送者進(jìn)程不是把消息直接發(fā)送給接收者進(jìn)程，而是把消息發(fā)送到一個(gè)共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信箱中去。接收者進(jìn)程也到信箱中去取消息。所謂信箱實(shí)際上也是一個(gè)包含有多個(gè)消息的隊(duì)列。 直接通信常用于進(jìn)程間相互關(guān)系比較緊密的情況下。間接通信用于聯(lián)系不十分緊密的進(jìn)程間。同時(shí)間接通信的優(yōu)勢(shì)在于它的靈活性。靈活性表現(xiàn)在發(fā)送者進(jìn)程和接收者進(jìn)程之間的關(guān)系可以有一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一以及

33、多對(duì)多的多種關(guān)系。其次信箱可以是靜態(tài)、固定不變的，也可以是動(dòng)態(tài)、可變的。圖5.4表示間接通信關(guān)系。 “一對(duì)一”關(guān)系主要用于兩個(gè)進(jìn)程間建立私用的通信連接，可以不受其他進(jìn)程的干擾和影響?！耙粚?duì)多”關(guān)系是指一個(gè)發(fā)送者和多個(gè)接收者的通信關(guān)系，這種關(guān)系用于一個(gè)發(fā)送者進(jìn)程向一組中的多個(gè)進(jìn)程以廣播的方式發(fā)送一個(gè)或多個(gè)消息的應(yīng)用場(chǎng)合。而“多對(duì)一”關(guān)系主要用于現(xiàn)代操作系統(tǒng)中的客戶(hù)/服務(wù)器模式下客戶(hù)進(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)程之間的關(guān)系。許多客戶(hù)進(jìn)程可能都向一個(gè)打印服務(wù)進(jìn)程發(fā)消息請(qǐng)求提供打印服務(wù)。在這種情況下，我們把信箱稱(chēng)為“端口”(port)，如圖5.4所示。 進(jìn)程與信箱的關(guān)系可以有靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的。端口通常是靜態(tài)的，固定不

34、變的，長(zhǎng)期的安排給某個(gè)特定進(jìn)程，直到進(jìn)程撤消，端口才撤消?！耙粚?duì)一”通信關(guān)系中的信箱通常也是靜態(tài)的、固定不變的。而對(duì)于有多個(gè)發(fā)送者時(shí)，發(fā)送者進(jìn)程與信箱的關(guān)系可以是動(dòng)態(tài)的。為了實(shí)現(xiàn)信箱動(dòng)態(tài)連接的目的，系統(tǒng)提供鏈接(connect)和解除鏈接(disconnect)原語(yǔ)。在進(jìn)行通信之前，發(fā)送進(jìn)程調(diào)用鏈接原語(yǔ)，把信箱鏈接到發(fā)送進(jìn)程。如果要撤消鏈接可以用解除鏈接原語(yǔ)。 信箱和端口通常歸創(chuàng)建者所擁有，端口由接收者進(jìn)程信箱和端口通常歸創(chuàng)建者所擁有，端口由接收者進(jìn)程所創(chuàng)建。所創(chuàng)建。5.6.3 5.6.3 其他通信模式其他通信模式 對(duì)于一個(gè)發(fā)送者進(jìn)程來(lái)說(shuō)，它在執(zhí)行Send命令后，即發(fā)送完消息后怎么辦? 這不外

35、有兩種選擇：(1)阻塞自己，等待接收者的回答信息后才繼續(xù)向前執(zhí)行，我們稱(chēng)為阻塞發(fā)送。(2)發(fā)送完消息后不等回答就繼續(xù)向前執(zhí)行稱(chēng)為不阻塞發(fā)送。 同樣對(duì)于一個(gè)接收者來(lái)說(shuō)，在執(zhí)行Receive命令后怎么辦? 也不外有兩種選擇：(1)已經(jīng)有消息在等待接收者進(jìn)程接收，于是在接收這個(gè)消息后繼續(xù)前進(jìn)。(2)還沒(méi)有任何消息到來(lái)；于是它或者阻塞自己等待消息到來(lái)，或者干脆放棄接收的意圖，繼續(xù)前進(jìn)。那么前者稱(chēng)阻塞接收，后者稱(chēng)非阻塞接收。 在操作系統(tǒng)中常用的進(jìn)程間通信模式有以下三種：1.1.非阻塞發(fā)送、阻塞接收非阻塞發(fā)送、阻塞接收 這是我們?cè)?.6.1節(jié)中討論的最常用、最自然的模式。這種非阻塞發(fā)送的方式便于發(fā)送者進(jìn)程

36、盡快地向多個(gè)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)或多個(gè)消息的需要，同時(shí)這種不阻塞發(fā)送也適合客戶(hù)進(jìn)程在提出輸出請(qǐng)求后，繼續(xù)向前執(zhí)行，不需阻塞等待打印請(qǐng)求，尤其在SPOOL系統(tǒng)中。這種阻塞接收的方式也特別適用于那些不等待消息到來(lái)就無(wú)法進(jìn)行后續(xù)工作的進(jìn)程，如等待有服務(wù)請(qǐng)求到來(lái)的服務(wù)器進(jìn)程的工作情況和等待資源(硬資源和軟資源)的進(jìn)程。但不阻塞發(fā)送的方式也有隱患存在。它可能導(dǎo)致有意的或由于錯(cuò)誤而造成發(fā)送者進(jìn)程反復(fù)不斷的發(fā)送消息，造成大量資源(CPU時(shí)間和緩沖區(qū)空間)浪費(fèi)。 2.2.非阻塞發(fā)送、非阻塞接收非阻塞發(fā)送、非阻塞接收 這在分布式系統(tǒng)常見(jiàn)的通信方式，因?yàn)椴捎米枞邮辗椒〞r(shí)，如果發(fā)送來(lái)的消息丟失(這在分布式系統(tǒng)中常發(fā)生)，

37、或者被接收者進(jìn)程所期待的消息在該消息未發(fā)出之前發(fā)送者進(jìn)程即發(fā)生問(wèn)題失敗了，那么這將導(dǎo)致接收者進(jìn)程無(wú)限期被阻塞。而改進(jìn)的辦法就是使用非阻塞接收方式，即接收者進(jìn)程在接收消息時(shí)，若有消息就處理消息，沒(méi)有消息就繼續(xù)前進(jìn)。 3.3.阻塞發(fā)送，阻塞接收阻塞發(fā)送，阻塞接收 發(fā)送者進(jìn)程在發(fā)送完消息后，阻塞自己等待接收者進(jìn)程發(fā)送回答消息后才能繼續(xù)前進(jìn)。接收者進(jìn)程在接收到消息前，也阻塞等待，直到接到消息后再向發(fā)送者進(jìn)程發(fā)送一個(gè)回答信息，如圖5.5所示，稱(chēng)之為雙向通信。5.7 UNIX5.7 UNIX的進(jìn)程同步和通信的進(jìn)程同步和通信UNIX中有以下五種用以進(jìn)程同步和通信的機(jī)制：(1)pipes管道。(2)消息。(3

38、)共享主存段。(4)信號(hào)量。(5)信號(hào)或稱(chēng)軟中斷。5.7.1 5.7.1 管道管道(pipes)(pipes) 管道是UNIX對(duì)操作系統(tǒng)最有意義的貢獻(xiàn)，通常稱(chēng)為“兩個(gè)進(jìn)程間打開(kāi)的文件”，允許兩個(gè)進(jìn)程間按先進(jìn)先出方式傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)進(jìn)程寫(xiě)入，一個(gè)進(jìn)程讀出，系統(tǒng)負(fù)責(zé)彼此間的同步執(zhí)行。管道也可看作是按生產(chǎn)者/消費(fèi)者方式工作的環(huán)形緩沖區(qū)。 管道分兩種：無(wú)名管道和有名管道。無(wú)名管道用于密切相關(guān)的父子進(jìn)程或兄弟進(jìn)程之間的通信，而有名管道用于一般的無(wú)家族關(guān)系的進(jìn)程間通信的。 管道有以下系統(tǒng)調(diào)用：(1)(1)管道創(chuàng)建管道創(chuàng)建 創(chuàng)建無(wú)名管道的系統(tǒng)調(diào)用是： pipe(fdp) 其中fdp是一個(gè)整型數(shù)組指針，其中包含

39、有對(duì)管道進(jìn)行讀寫(xiě)的兩個(gè)文件描述符。 進(jìn)程創(chuàng)建pipe文件后，通常就創(chuàng)建一個(gè)或幾個(gè)子進(jìn)程，于是子進(jìn)程復(fù)制父進(jìn)程的文件表。這樣pipe文件就為父子進(jìn)程共享。進(jìn)程在使用無(wú)名管道通信時(shí)，調(diào)用Read()和Write()命令與讀寫(xiě)普通文件一樣地進(jìn)行讀寫(xiě)。使用完后調(diào)用Close()命令關(guān)閉管道文件。無(wú)名管道只是一個(gè)臨時(shí)文件，關(guān)閉后文件不復(fù)存在。 而有名管道的創(chuàng)建命令是： mknod(pathname，mode，dev) 由于有名管道這種文件有對(duì)應(yīng)的文件目錄項(xiàng)，這種文件不顯式刪除就永久存在。所以創(chuàng)建有名管道文件同創(chuàng)建一個(gè)目錄文件、特別文件一樣。命令中pathname是路徑名，mode是文件的類(lèi)型和存取方式，

40、dev是文件所在設(shè)備。對(duì)于有名管道文件，dev這個(gè)參數(shù)為0。(2)(2)打開(kāi)有名管道打開(kāi)有名管道 使用有名管道前要顯式地打開(kāi)，它與打開(kāi)普通文件沒(méi)有區(qū)別。只是發(fā)送者以寫(xiě)方式，接收方以只讀方式打開(kāi)。命令格式是： open(pathname，oflg)其中oflg是文件打開(kāi)時(shí)的存取方式。 進(jìn)程使用有名管道實(shí)現(xiàn)通信時(shí)需要有三次同步： 第一次是打開(kāi)同步。當(dāng)進(jìn)程以讀方式打開(kāi)有名管道時(shí)，若已有寫(xiě)者打開(kāi)過(guò)，則喚醒寫(xiě)者后繼續(xù)前進(jìn)，否則等待寫(xiě)者。當(dāng)進(jìn)程以寫(xiě)方式打開(kāi)有名管道時(shí)，若已有讀者打開(kāi)過(guò)，則喚醒讀者后繼續(xù)前進(jìn)，否則等待讀者。 第二次是讀寫(xiě)同步。其同步方式與無(wú)名管道pipe相同，允許寫(xiě)者超前讀者1024個(gè)字符，

41、當(dāng)有更多字符要寫(xiě)入時(shí)，則寫(xiě)者必須等待。若讀者從有名管道讀時(shí)，若無(wú)數(shù)據(jù)可讀則等待。若有數(shù)據(jù)可讀，讀完后要檢查有無(wú)寫(xiě)者等待，若有則喚醒寫(xiě)者。而且要求讀寫(xiě)雙方隨時(shí)檢查通信的另一方是否存在，一旦有一方不存在，應(yīng)立即終止通信。 第三次是關(guān)閉同步。當(dāng)寫(xiě)者關(guān)閉有名管道時(shí)，發(fā)現(xiàn)有讀者睡眠等待，則喚醒它。被喚醒者立即從讀調(diào)用返回。當(dāng)讀者關(guān)閉有名管道時(shí)，發(fā)現(xiàn)有寫(xiě)者睡眠等待，則喚醒它，并向它發(fā)一個(gè)指示錯(cuò)誤條件的信號(hào)后返回。最后一個(gè)關(guān)閉有名管道的進(jìn)程釋放該管道占用的全部盤(pán)塊及相應(yīng)的在主存中的i節(jié)點(diǎn)。 5.7.2 5.7.2 消息消息 UNIX系統(tǒng)V的消息機(jī)制類(lèi)似于信箱機(jī)制。進(jìn)程間通信通過(guò)消息隊(duì)列，它的消息隊(duì)列可以是單

42、隊(duì)列、多隊(duì)列(按消息類(lèi)型)，單向和雙向通信通道。1.1.所用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(1)(1)消息緩沖區(qū)消息緩沖區(qū) 其結(jié)構(gòu)定義如下：Struct msgbuf long mtype； .消息類(lèi)型，可以是正、負(fù)整數(shù)或0 char mtextN； .消息正文；(2)(2)消息頭結(jié)構(gòu)和消息頭表消息頭結(jié)構(gòu)和消息頭表 消息頭結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)每一個(gè)消息緩沖區(qū)都有一個(gè)消息頭結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下:Struct msgmsg-next .消息隊(duì)列中指向下一個(gè)消息的指針long msg-type .消息類(lèi)型（與消息緩沖區(qū)的相同）Short msg-ts .消息正文長(zhǎng)度Short msg-spot .消息正文地址 消息頭結(jié)構(gòu)

43、表 由若干個(gè)消息頭結(jié)構(gòu)構(gòu)成的數(shù)組。系統(tǒng)初始化時(shí)已設(shè)置好，其表目數(shù)為100個(gè)(結(jié)構(gòu)定義從略)。(3)(3)消息隊(duì)列頭結(jié)構(gòu)和消息隊(duì)列頭表消息隊(duì)列頭結(jié)構(gòu)和消息隊(duì)列頭表 由于可以有多個(gè)消息隊(duì)列(按消息類(lèi)型)，于是對(duì)應(yīng)每個(gè)消息隊(duì)列都有一個(gè)消息隊(duì)列頭結(jié)構(gòu)，其中包括隊(duì)列的頭、尾指針；隊(duì)列訪(fǎng)問(wèn)的控制結(jié)構(gòu)；隊(duì)列中消息個(gè)數(shù)；正文總字節(jié)數(shù)；最近一次發(fā)送、接收消息和修改時(shí)間和這些進(jìn)程Id等有關(guān)信息。消息隊(duì)列頭表則是由消息隊(duì)列頭構(gòu)成的數(shù)組。(4)消息緩沖池 系統(tǒng)對(duì)消息正文的管理是將所有消息正文存放在消息緩沖池中。消息緩沖池的結(jié)構(gòu)中包括緩沖池的大小和首地址兩項(xiàng)信息。 2.2.消息的系統(tǒng)調(diào)用：消息的系統(tǒng)調(diào)用：(1)建立一個(gè)

44、消息隊(duì)列。(2)向消息隊(duì)列發(fā)送消息。(3)從消息隊(duì)列接收消息。(4)取或送消息隊(duì)列的控制信息。5.7.35.7.3共享主存段共享主存段 UNIX的共享主存段機(jī)制為進(jìn)程提供了最快捷最有效的直接通信手段，是由通信進(jìn)程直接訪(fǎng)問(wèn)某些共享的虛擬存儲(chǔ)空間而實(shí)現(xiàn)通信。在系統(tǒng)V中，系統(tǒng)管理一組共享主存控制塊。通信進(jìn)程在使用共享主存段以前先提出申請(qǐng)，系統(tǒng)分配給它并返回一個(gè)共享主存段標(biāo)識(shí)號(hào)。一個(gè)共享主存建立后被附加到進(jìn)程的虛擬地址空間，進(jìn)程可以附加多個(gè)共享主存段。1.1.使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(1)(1)共享主存段控制塊共享主存段控制塊( (又稱(chēng)共享主存段頭結(jié)構(gòu)又稱(chēng)共享主存段頭結(jié)構(gòu)):): 每個(gè)共享主存段都

45、有一個(gè)控制塊，包括如下信息： 共享主存段訪(fǎng)問(wèn)控制結(jié)構(gòu) 共享段長(zhǎng)度 共享段頁(yè)表始址 最后執(zhí)行該共享段操作的進(jìn)程id 創(chuàng)建該共享段的進(jìn)程id 當(dāng)前附加段號(hào)和主存中附加段號(hào) 最近一次附加操作、拆卸操作和修改時(shí)間 系統(tǒng)為便于管理，將共享主存段組成一個(gè)表，該表共有100個(gè)表目。(2)(2)共享主存段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)共享主存段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 每個(gè)共享主存段都對(duì)應(yīng)一個(gè)頁(yè)表和允許的存取權(quán)限主存段，每個(gè)進(jìn)程最多允許有6個(gè)共享主存段，每個(gè)共享主存段有自己的頁(yè)表。2.2.共享主存段的系統(tǒng)調(diào)用共享主存段的系統(tǒng)調(diào)用(1)(1)申請(qǐng)一個(gè)共享主存段申請(qǐng)一個(gè)共享主存段 參數(shù)包括共享主存段大小。返回參數(shù)是共享主存段標(biāo)識(shí)號(hào)。(2)(2)將

46、共享段附加到申請(qǐng)通信的進(jìn)程地址空間將共享段附加到申請(qǐng)通信的進(jìn)程地址空間。(3)(3)將共享段與進(jìn)程之間解除連接。將共享段與進(jìn)程之間解除連接。 5.7.4 5.7.4 信號(hào)量信號(hào)量 UNIX系統(tǒng)V使用了本章中所討論的信號(hào)量的技術(shù)，并且還作了很大擴(kuò)充。它允許對(duì)一組信號(hào)量進(jìn)行相同或不同的操作，而且每個(gè)Wait和Signal操作不限于增1和減1，而可以是增減任何整數(shù)，使信號(hào)量機(jī)制更具有靈活性。1.1.使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(1)(1)信號(hào)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：信號(hào)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：Struct semushort semval； .信號(hào)量的值short sempid； .最近一次對(duì)信號(hào)量操作

47、的進(jìn)程idUshort semncnt； .等待信號(hào)量增加的進(jìn)程數(shù)Ushort semzcnt； .等待信號(hào)量值為0的進(jìn)程數(shù) (2)(2)信號(hào)量標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信號(hào)量標(biāo)識(shí)表信號(hào)量標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信號(hào)量標(biāo)識(shí)表 系統(tǒng)中每組信號(hào)量又稱(chēng)信號(hào)量集合，包含有一個(gè)或多個(gè)信號(hào)量。每個(gè)信號(hào)量集合都有一個(gè)信號(hào)量標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義如下：Structsemid_ds struct ipc_perm sem_perm.對(duì)信號(hào)量訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限的結(jié)構(gòu) struct sem*sem_base；.指向一組中第一個(gè)信號(hào)量的指針 ushort sem_nsems； .一組中信號(hào)量個(gè)數(shù) time_t sero_otime； .最近一次對(duì)

48、信號(hào)量操作的時(shí)間 time_t sen_ctime； .最近一次信號(hào)量狀態(tài)的修改時(shí)間 信號(hào)量標(biāo)識(shí)表是每個(gè)信號(hào)量標(biāo)識(shí)所組成的數(shù)組，每個(gè)表目對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)量組。2.2.信號(hào)量機(jī)制的系統(tǒng)調(diào)用信號(hào)量機(jī)制的系統(tǒng)調(diào)用(1)(1)信號(hào)量集合的建立信號(hào)量集合的建立 任何進(jìn)程在使用信號(hào)量之前，通過(guò)以下命令申請(qǐng)建立一個(gè)信號(hào)量集合。 semget(key，nsems，semflg)。其中，key為用戶(hù)進(jìn)程指定的信號(hào)量集合的關(guān)鍵字，nsems為信號(hào)量集合中的信號(hào)量數(shù)，semflg為訪(fǎng)問(wèn)標(biāo)志。 調(diào)用的返回值是信號(hào)量集合的標(biāo)識(shí)號(hào)。(2)(2)對(duì)信號(hào)量的操作對(duì)信號(hào)量的操作 進(jìn)程通過(guò)調(diào)用semop()對(duì)一組信號(hào)量中的一個(gè)或多個(gè)

49、信號(hào)量執(zhí)行Wait/Signal操作。其操作命令由用戶(hù)提供的信號(hào)量操作數(shù)組sembuf定義，該數(shù)組的每個(gè)元素的結(jié)構(gòu)如下：Struct sembuf Ushort sero_num；.信號(hào)量的序號(hào)。 short sem-op； .具體執(zhí)行的操作(即WaitSignal)。 short sero-flg； .訪(fǎng)問(wèn)標(biāo)志。 調(diào)用語(yǔ)法是： semop(semid，sops，nsops) 其中，semid為調(diào)用返回的信號(hào)量集合標(biāo)識(shí)，sops為用戶(hù)提供的信號(hào)量操作數(shù)組sembuf的指針，nsops為數(shù)組sembuf中的元素?cái)?shù)。 在每一個(gè)操作中，實(shí)際的功能由sem_op的值所說(shuō)明，大致如下： 若sem_op的

50、值為正，則執(zhí)行Signal操作，將sem_op的值加到信號(hào)量值變量semval上，并喚醒等待該信號(hào)量值增加的所有進(jìn)程。 若sem_op為0。內(nèi)核檢查信號(hào)量值，若為0，則繼續(xù)表上其他操作。否則，增加等待信號(hào)量值為0的進(jìn)程數(shù)，并把進(jìn)程掛起阻塞在等待信號(hào)量值為0的事件上。 若sem_op為負(fù)，且它的絕對(duì)值小于或等于信號(hào)量值，則內(nèi)核把sem_op(是負(fù)數(shù))加到信號(hào)量值上。若結(jié)果為0，內(nèi)核喚醒等待信號(hào)量值為0的所有進(jìn)程。 若sem_op為負(fù)，且它的絕對(duì)值大于信號(hào)量，則內(nèi)核把該進(jìn)程掛起在等待信號(hào)量增加的事件上。(3)(3)創(chuàng)建或修改恢復(fù)表創(chuàng)建或修改恢復(fù)表 恢復(fù)表是用在進(jìn)程終止時(shí)消除所有被它改變過(guò)的信號(hào)量的

51、值，以保證信號(hào)量的完整性。當(dāng)進(jìn)程創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)，內(nèi)核為其在恢復(fù)表中增加一個(gè)活動(dòng)項(xiàng)。進(jìn)程終止時(shí)，系統(tǒng)將其創(chuàng)建的表從系統(tǒng)恢復(fù)表中刪除。(4)(4)對(duì)信號(hào)量執(zhí)行控制操作對(duì)信號(hào)量執(zhí)行控制操作 當(dāng)要讀取和修改信號(hào)量集合的有關(guān)狀態(tài)信息，或撤消信號(hào)量集合時(shí)，調(diào)用semetl()命令。5.7.5 5.7.5 信號(hào)或軟中斷信號(hào)或軟中斷 UNIX系統(tǒng)V提供了信號(hào)處理機(jī)制，又叫做軟中斷。它是UNIX向進(jìn)程提供的又一種通信機(jī)制。利用它，進(jìn)程之間可以發(fā)送少量信息并進(jìn)行適當(dāng)處理。同組進(jìn)程之間可以互相發(fā)送信號(hào)，而內(nèi)核也可以從內(nèi)部發(fā)信號(hào)給進(jìn)程。所謂軟中斷信號(hào)就是向某進(jìn)程proc中的p_sig變量送入一個(gè)019之間的整數(shù)。系統(tǒng)V

52、提供了19個(gè)軟中斷信號(hào)。軟中斷可分為以下五類(lèi)： (1)(1)與終端操作有關(guān)的軟中斷，如掛斷、退出等。與終端操作有關(guān)的軟中斷，如掛斷、退出等。(2)(2)為進(jìn)程跟蹤而引入的軟中斷。為進(jìn)程跟蹤而引入的軟中斷。 (3)(3)錯(cuò)誤使用了系統(tǒng)調(diào)用或系統(tǒng)調(diào)用期間發(fā)生不可恢復(fù)的情況錯(cuò)誤使用了系統(tǒng)調(diào)用或系統(tǒng)調(diào)用期間發(fā)生不可恢復(fù)的情況( (如某些資源用完如某些資源用完) )。(4)(4)與進(jìn)程終止有關(guān)的軟中斷。與進(jìn)程終止有關(guān)的軟中斷。(5)(5)用戶(hù)態(tài)下進(jìn)程之間發(fā)的一些軟中斷。用戶(hù)態(tài)下進(jìn)程之間發(fā)的一些軟中斷。 系統(tǒng)規(guī)定0是沒(méi)有軟中斷發(fā)生，超過(guò)19的軟中斷號(hào)，系統(tǒng)不予理睬。接收進(jìn)程收到軟中斷信號(hào)后，并不能立即響應(yīng)

53、(有可能進(jìn)程不在主存)，而是等到接收進(jìn)程運(yùn)行時(shí)或從系統(tǒng)調(diào)用返回時(shí)才能響應(yīng)。 proc結(jié)構(gòu)中的p_sig是一個(gè)32位長(zhǎng)，專(zhuān)門(mén)用來(lái)保存軟中斷信號(hào)，它的第0位對(duì)應(yīng)1號(hào)軟中斷，第18位對(duì)應(yīng)19號(hào)軟中斷。某位是1，表示收到了相應(yīng)軟中斷信號(hào)。一個(gè)進(jìn)程有可能收到多個(gè)不同類(lèi)型軟中斷。內(nèi)核允許每次只處理一個(gè)軟中斷信號(hào)。較小的軟中斷信號(hào)被優(yōu)先處理，其他的軟中斷只有在進(jìn)程下次被調(diào)度運(yùn)行時(shí)才可能被處理。 5.8 Solaris5.8 Solaris線(xiàn)程同步原語(yǔ)線(xiàn)程同步原語(yǔ) Solaris提供四種線(xiàn)程同步原語(yǔ)：(1)互斥鎖；(2)信號(hào)量；(3)讀寫(xiě)鎖；(4)條件變量。 Solaris在內(nèi)核為內(nèi)核線(xiàn)程和在線(xiàn)程庫(kù)為用戶(hù)線(xiàn)程

54、提供這四種同步機(jī)制的支持。這些機(jī)制基本上是基于硬件TS指令的。 1.1.互斥鎖互斥鎖 互斥鎖是為了線(xiàn)程的互斥訪(fǎng)問(wèn)的。與互斥有關(guān)的原語(yǔ)有： mutex_enter() .上鎖操作 mutex_exit() .開(kāi)鎖操作 mutex_tryenter() .忙等待的上鎖操作 上鎖操作原語(yǔ)執(zhí)行時(shí)，如果已被其他線(xiàn)程先行上了鎖，那么后者有可能會(huì)被阻塞，但是否執(zhí)行阻塞取決于存放在互斥對(duì)象中的信息的類(lèi)型說(shuō)明，也有可能用忙等待形式。 開(kāi)鎖操作原語(yǔ)隱含有喚醒被阻塞的等待線(xiàn)程。 而忙等待的上鎖操作是提供一個(gè)非阻塞的互斥執(zhí)行的方法，使程序員可以為線(xiàn)程庫(kù)的用戶(hù)線(xiàn)程提供忙等待的上鎖方式，以免阻塞整個(gè)進(jìn)程。 2.2.信號(hào)量信號(hào)量 有以下同步原語(yǔ) Sema_p() .信號(hào)量值減1，隱含線(xiàn)程有可能被阻塞。 Sema_V() .信號(hào)量值增1，隱含喚醒等待線(xiàn)程。 Sema_tryp() .信號(hào)量值減1，但不使用阻塞，允許忙等待。3.3.讀寫(xiě)鎖讀寫(xiě)鎖 允許多個(gè)線(xiàn)程可以同時(shí)讀一個(gè)被鎖保護(hù)的對(duì)象，也允許一次只能一個(gè)線(xiàn)程對(duì)保護(hù)對(duì)象進(jìn)行寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)。當(dāng)保護(hù)對(duì)象處于寫(xiě)狀況時(shí)為“寫(xiě)鎖”狀態(tài)，對(duì)象處于讀狀況時(shí)為“讀鎖”狀態(tài)。有以下同步原語(yǔ)： rw_enter()； .讀者或?qū)懻咂髨D上