第1章并行計(jì)算簡介

第一章.并行計(jì)算介紹課程性質(zhì)是高性能計(jì)算學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課——常識知識

公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)方向課、專業(yè)選修課在教學(xué)計(jì)劃中的地位：核心、承上啟下

前導(dǎo)課：高等數(shù)學(xué)、離散數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)硬件后續(xù)課：高性能算法設(shè)計(jì)……屬于武術(shù)中的“練功”科目

“練武不練功，到頭一場空”教學(xué)目標(biāo)掌握高性能計(jì)算基本的常識

對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及其性能充分了解培養(yǎng)初步并行算法設(shè)計(jì)和并行程序設(shè)計(jì)能力

算法——程序的靈魂問題求解過程：問題→想法→算法→程序程序設(shè)計(jì)研究的層次：算法→方法學(xué)→語言→工具培養(yǎng)培養(yǎng)并行算法性能分析能力

評價算法、改進(jìn)算法學(xué)習(xí)要求循序漸進(jìn)，切忌心浮氣躁提高課外學(xué)習(xí)的時間和內(nèi)容理解科學(xué)而不是背誦科學(xué)→讀書正確對待考試作習(xí)題

華羅庚：“學(xué)數(shù)學(xué)不做習(xí)題等于入寶山而空返”

作實(shí)驗(yàn)

高性能計(jì)算學(xué)科是一門科學(xué)性與工程性并重的學(xué)科，表現(xiàn)為理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的特征。

課程介紹參考書籍課程書目：Grama,Gupta,Karypis,andKumar:IntroductiontoParallelComputing(SecondEdition,2003)成績組成理論課成績平時成績

10％~20%：出勤＋作業(yè)＋實(shí)驗(yàn)期中考試成績

40％~50%期末考試成績

40％~50%實(shí)驗(yàn)課成績：出勤＋實(shí)驗(yàn)＋期末成績：百分制有關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)交作業(yè)和實(shí)驗(yàn)的要求將作業(yè)或?qū)嶒?yàn)相關(guān)文件壓縮打包上傳，具體要求如下：壓縮包文件命名格式：

<學(xué)號><姓名><作業(yè)或?qū)嶒?yàn)說明>

如：00281001王五實(shí)驗(yàn)2

00281001王五第一章作業(yè)不同的實(shí)驗(yàn)和作業(yè)用不同的壓縮包文件上傳，不要合在一個壓縮包文件中；對實(shí)驗(yàn)壓縮包，要求將該次實(shí)驗(yàn)工程所在目錄中的所有文件（要包括目錄,但要刪除其中的debug相關(guān)目錄）壓縮，并按如上命名：

00281001王五實(shí)驗(yàn)2.rar將壓縮文件上傳即可；實(shí)驗(yàn)提交和作業(yè)提交地址：1/

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稠密矩陣算法

排序圖算法離散優(yōu)化問題動態(tài)規(guī)劃快速傅里葉變換并行的動機(jī)——從摩爾定律談起摩爾定律：當(dāng)價格不變時，集成電路（IC）上的晶體管數(shù)目，約每隔24個月（1975年更改為18個月）便會增加一倍，性能也將提升一倍。122023/2/3超級計(jì)算機(jī)性能計(jì)算量綱前綴縮寫基冪含意數(shù)值KiloK103Thousand千MegaM106Million兆，百萬GigaG109Billion千兆，10億TeraT1012Trillion垓，萬億PetaP1015Quadrillion千萬億ExaE1018Quitillion百億億Flops：每秒所執(zhí)行的浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)(floating-pointoperationspersecond)目前的PC機(jī)運(yùn)算速度通常在GFlops量級，高性能計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度則在TFlops至PFlops量級。應(yīng)用需求計(jì)算密集型應(yīng)用（Computing-intensive)：大型科學(xué)工程計(jì)算，數(shù)值模擬等。應(yīng)用領(lǐng)域：石油、氣象、CAD、核能、制藥、環(huán)境監(jiān)測分析、系統(tǒng)仿真等。數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用（Data-intensive)：數(shù)字圖書館，數(shù)據(jù)倉庫，數(shù)據(jù)挖掘，計(jì)算可視化等。應(yīng)用領(lǐng)域：圖書館、銀行、證券、稅務(wù)、決策支持系統(tǒng)等。通信密集型應(yīng)用（Network-intensive)：協(xié)同工作，網(wǎng)格計(jì)算，遙控和遠(yuǎn)程診斷等。應(yīng)用領(lǐng)域：網(wǎng)站、信息中心、搜索引擎、電信、流媒體等。應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用需求計(jì)算能力需求存儲容量需求生物醫(yī)學(xué)蛋白質(zhì)電子態(tài)的計(jì)算藥物發(fā)明中的篩選過程蛋白質(zhì)折疊100Tflops800Tflops1Pflops30TB200TB1PB航空航天制造發(fā)動機(jī)燃燒模擬和機(jī)翼設(shè)計(jì)模擬500Tflops100TB氣候環(huán)境短期天氣預(yù)報(bào)長期天氣預(yù)報(bào)局部突發(fā)性災(zāi)難預(yù)報(bào)（如洪水、海嘯）20Tflops200Tflops1Pflops10TB100TB500TB核能領(lǐng)域完全等離子分析（包括電子結(jié)構(gòu)分析）核武器數(shù)值模擬天然氣燃燒500Tflops1Pflops1Pflops1PB1PB1PB納米技術(shù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分析和功能預(yù)測新材料發(fā)明200Tflops1Pflops400TB2PB天體物理學(xué)超新星三維模擬1Pflops1PB國防和國家安全密碼破譯先進(jìn)武器模擬1Pflops1Pflops1PB1PB各應(yīng)用對計(jì)算能力的需求摩爾定律不能延續(xù)？集成電路（IC）上的晶體管數(shù)目的物理極限半導(dǎo)體行業(yè)演進(jìn)到22nm或更小尺寸的時候，生產(chǎn)晶體管的工藝快要達(dá)到原子理論和量子力學(xué)所決定的物理極限。如何延續(xù)摩爾定律？處理器發(fā)展趨勢：單核→多核如何延續(xù)摩爾定律？處理器性能=主頻x單位時鐘周期內(nèi)的指令執(zhí)行提高處理器性能的兩大途徑增加處理器主頻增加每個時鐘周期內(nèi)的指令執(zhí)行數(shù)單核處理器提升性能的主要途徑是提升主頻事實(shí)：功耗正比于主頻的三次方提升主頻將導(dǎo)致功耗快速增長多核處理器的功耗隨核心數(shù)線性增長每個時鐘周期內(nèi)的指令執(zhí)行數(shù)正比于核心數(shù)“加核=加性能”處理器功耗正比于

電流x電壓x電壓x主頻主頻正比于電壓處理器發(fā)展趨勢：多核與眾核多核處理器是首個解決能耗問題的方案傳統(tǒng)的處理器架構(gòu)是針對單線程性能優(yōu)化的，而非效能優(yōu)化大量能源用于優(yōu)化內(nèi)存?zhèn)鬏?、預(yù)測分支等方面的控制電路少量能源供算術(shù)及邏輯運(yùn)算單元（ALU）用于計(jì)算增加簡單的ALU單元可以提升效能眾核處理器－大量ALU，少量控制

電路單位能耗性能比多核處理器更高代表產(chǎn)品：GPU高性能計(jì)算機(jī)（HPC）計(jì)算能力的發(fā)展在高性能計(jì)算領(lǐng)域，摩爾定律仍在延續(xù)：多節(jié)點(diǎn)集群的計(jì)算能力不斷攀升領(lǐng)先的計(jì)算平臺性能增長預(yù)測超算集群性能指標(biāo)與LinpackHPC計(jì)算能力的衡量指標(biāo)：每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)FLOPSHPC性能測試軟件：Linpackbenchmark(HighPerformanceLinpack，HPL)求解稠密線性方程組的高斯消元法超算集群性能指標(biāo)與Linpack(續(xù)）Linpack的發(fā)展1970年代-1980年代初JackDongarra,JimBunch, CleveMoler和GilbertStewartJackDongarraCleveMoler(matlab創(chuàng)始人)并行算法性能指標(biāo)可擴(kuò)放性（

Scalability）：隨著計(jì)算設(shè)備數(shù)增加，運(yùn)行時間減少主要指標(biāo)：加速比SUabs為絕對加速比，tS為串行算法運(yùn)行時間，tA為并行算法運(yùn)行時間，n為計(jì)算問題的規(guī)模，p為所用的計(jì)算設(shè)備數(shù)。并行算法性能指標(biāo)（續(xù)）邁向十億億次計(jì)算的4大挑戰(zhàn)能耗問題大規(guī)模計(jì)算集群的能耗巨大，成為硬件設(shè)計(jì)的主要約束必須降低單位計(jì)算能力的能耗迫使硬件架構(gòu)發(fā)生重大改變：如多核、眾核和混合架構(gòu)并發(fā)性硬件高并行性指令操作的高并行性：硬件每個時鐘周期提供數(shù)億次并行操作數(shù)據(jù)交換的高并行性：每一時刻，支持?jǐn)?shù)億個數(shù)據(jù)在交換要發(fā)揮硬件的性能，需要超大規(guī)模的計(jì)算問題軟件的高并發(fā)性部分?jǐn)?shù)據(jù)引自Cray公司2012年資料邁向十億億次計(jì)算的4大挑戰(zhàn)（續(xù)）容錯能力隨著硬件規(guī)模的擴(kuò)大，硬件故障發(fā)生的概率隨之增大據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Jaguar集群每4分鐘就會有內(nèi)存出現(xiàn)錯誤。編程困難由硬件的復(fù)雜性和軟件的高并發(fā)性要求引起的部分?jǐn)?shù)據(jù)引自Cray公司2012年資料計(jì)算機(jī)的基本工作原理存儲程序控制原理所謂程序存儲,就是將解題的程序(指令序列)和它要處理的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式表示，并預(yù)先存放到存儲器中。所謂的程序控制,就是程序運(yùn)行時計(jì)算機(jī)的控制器按照存儲的程序來控制整個計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)地完成計(jì)算任務(wù),這就是著名的“存儲程序控制原理”馮●諾依曼計(jì)算機(jī)的基本工作原理

存儲程序控制—(存儲程序與程序控制)程序:一個指令序列指令:可以被計(jì)算機(jī)理解并執(zhí)行的基本操作命令指令與數(shù)據(jù)的存儲運(yùn)行和運(yùn)算：采用二進(jìn)制編碼形式存儲程序：程序和數(shù)據(jù)預(yù)先存放在存儲器內(nèi)程序控制：計(jì)算機(jī)工作時，CPU依次從存儲器中取出一個程序中的各條指令（取指令），對指令的功能進(jìn)行分析（指令譯碼），按指令的功能從內(nèi)存取出數(shù)據(jù)（取數(shù)），對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理（運(yùn)算）并保存運(yùn)算結(jié)果，直到取到并執(zhí)行了停機(jī)指令為止。至此完成程序的一次運(yùn)行。計(jì)算機(jī)的基本工作原理馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理(1)計(jì)算機(jī)的工作由程序控制，程序是一個指令序列，指令是能被計(jì)算機(jī)理解和執(zhí)行的操作命令；(2)程序(指令)和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，均存放在存儲器中；(3)存儲器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進(jìn)行存??；(4)指令是由CPU一條一條順序執(zhí)行的。中央處理器運(yùn)算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器“存儲程序控制”原理將問題的解算步驟編制成為程序，程序連同它所處理的數(shù)據(jù)都用二進(jìn)位表示并預(yù)先存放在存儲器中程序運(yùn)行時，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止②CPU從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)④將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存⑤任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長久保存外存儲器內(nèi)存儲器CPU①任務(wù)啟動時，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內(nèi)存指令1指令2指令k指令n程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)③CPU逐條執(zhí)行指令,按指令要求完成對數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理計(jì)算機(jī)的基本工作原理存儲程序原理存儲程序思想可以概括為以下幾點(diǎn):1.計(jì)算機(jī)應(yīng)包括運(yùn)算器、存儲器、控制器和輸入/輸出設(shè)

備。計(jì)算機(jī)能夠判斷出存儲器中存放的是指令還是數(shù)

據(jù)，控制器能自動執(zhí)行指令，運(yùn)算器能進(jìn)行基本的算術(shù)

運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，同時，操作人員通過輸入/輸出與計(jì)算

機(jī)交換信息。2.計(jì)算機(jī)內(nèi)部應(yīng)采用二進(jìn)制碼表示指令和數(shù)據(jù)。3.將編好的程序和原始數(shù)據(jù)送入內(nèi)部存儲器中，然后啟動

計(jì)算機(jī)工作，計(jì)算機(jī)就能自動讀取和執(zhí)行指令存儲器中央處理器存儲數(shù)據(jù)和指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果CPU的任務(wù)CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作指令是什么？指令就是命令，它用來規(guī)定CPU執(zhí)行什么操作。指令是構(gòu)成程序的基本單位，程序是由一連串指令組成的指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個部分組成：操作碼操作數(shù)地址指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個命令詞，例如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等指出該指令所操作(處理)的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置

舉例:100206把02存儲單元和06存儲單元中的內(nèi)容相加，和數(shù)保存在02單元CPU的組成CPU的三個組成部分CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按照指令的要求完成對數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理。它主要由三個部分組成：(1)寄存器組它由十幾個甚至幾十個寄存器組成。(2)運(yùn)算器用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除或者與、或、非等各種基本的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，所以也稱為算術(shù)邏輯部件(ALU)。運(yùn)算器中的ALU可能有多個，(3)控制器這是CPU的指揮中心。它有一個指令計(jì)數(shù)器，用來存放CPU正在執(zhí)行的指令的地址，控制器中還有一個指令寄存器，它用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，通過譯碼器解釋該指令的含義，控制運(yùn)算器的操作，記錄CPU的內(nèi)部狀態(tài)等。CPU的結(jié)構(gòu)和任務(wù)CPU主要由運(yùn)算器、控制器和寄存器組3個部分組成CPU的任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作寄存器組運(yùn)算器中央處理器指令計(jì)數(shù)器指令寄存器控制器數(shù)據(jù)程序指令1指令2指令k指令n數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器指令

指令地址

操作數(shù)地址存放待執(zhí)行指令的地址已經(jīng)啟動運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)存放待執(zhí)行的指令并進(jìn)行譯碼完成規(guī)定的運(yùn)算暫存等待處理的數(shù)據(jù)操作命令~~~~內(nèi)存儲器AC927BALU01234567運(yùn)算器(ALU)與通用寄存器(GPR)運(yùn)算器用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)或邏輯運(yùn)算，所以稱為算術(shù)邏輯部件(ALU)，參加ALU運(yùn)算的操作數(shù)通常來自通用寄存器GPR，運(yùn)算結(jié)果也送回GPRSTORER1內(nèi)存地址C例3：存數(shù)指令9例2：加法指令A(yù)DDR1R3R5(3＃寄存器內(nèi)容與5＃寄存器內(nèi)容相加，并把和數(shù)寫入1＃寄存器)例1:取數(shù)指令LOADR3內(nèi)存地址ALOADR5內(nèi)存地址B27362793636通用寄存器GPR影響CPU速度的幾個因素CPU主頻

CPU的內(nèi)部頻率(MHz）。決定了CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行的每一步所占用的時間。主頻越高，CPU的處理速度就越快。

CPU速度=主頻*IPC(每個時鐘脈沖出現(xiàn)時可執(zhí)行的

指令條數(shù))

主頻為2G的CPU速度≠主頻為1G的CPU速度的2倍

Intel

的2G主頻CPU的速度≠AMD的2G主頻CPU的速度CPU總線頻率

CPU的外部頻率(MHz），是CPU和外界交換數(shù)據(jù)的工作頻率。影響CPU速度的幾個因素Cache容量

Cache容量越大，訪問Cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。寄存器、運(yùn)算器的位數(shù)位數(shù)越多，CPU的運(yùn)算速度越快進(jìn)程概念進(jìn)程引入：OS需要支持其內(nèi)部的(正在執(zhí)行的)程序活動，這些活動在許多方面都相似，因此將它們抽象為進(jìn)程?；顒佑校簝?nèi)存管理、通信、使用I/O設(shè)備、占用/釋放CPU等程序不能作為資源的擁有者：否則，不同程序不可擁有同一個互斥資源？但Word和Excel都可用打印機(jī)。另外，同一個程序執(zhí)行多次時會導(dǎo)致問題：Word運(yùn)行兩次，分別編輯兩個不同文檔，可同時在一臺打印機(jī)上打??？進(jìn)程為了描述程序在并發(fā)執(zhí)行時對系統(tǒng)資源的共享使用，所需的一個描述程序執(zhí)行時動態(tài)特征的概念注意：引入多進(jìn)程，提高了對硬件資源的利用率，但又帶來額外的空間和時間開銷，增加了OS的復(fù)雜性進(jìn)程的定義

一個具有一定獨(dú)立功能的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的一次動態(tài)執(zhí)行過程。進(jìn)程狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)(Running)：占用處理機(jī)資源；處于此狀態(tài)的進(jìn)程的數(shù)目小于等于CPU的數(shù)目。在沒有其他進(jìn)程可以執(zhí)行時（如所有進(jìn)程都在阻塞狀態(tài)），通常會自動執(zhí)行系統(tǒng)的idle進(jìn)程（相當(dāng)于空操作）。就緒狀態(tài)(Ready)：進(jìn)程已獲得除處理機(jī)外的所需資源，等待分配處理機(jī)資源；只要分配CPU就可執(zhí)行?？梢园炊鄠€優(yōu)先級來劃分隊(duì)列，如：時間片用完－>低優(yōu)，I/O完成－>中優(yōu)，頁面調(diào)入完成－>高優(yōu)等待狀態(tài)(waiting,Blocked阻塞)：由于進(jìn)程等待某種條件（如I/O操作或進(jìn)程同步），在條件滿足之前無法繼續(xù)執(zhí)行。該事件發(fā)生前即使把處理機(jī)分配給該進(jìn)程，也無法運(yùn)行。如：等待I/O操作的完成。進(jìn)程同步背景臨界資源信號量經(jīng)典同步問題背景對共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致性要保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，就需要一種保證并發(fā)進(jìn)程的正確執(zhí)行順序的機(jī)制臨界資源進(jìn)程間資源訪問沖突共享變量的修改沖突操作順序沖突進(jìn)程間的制約關(guān)系間接制約：進(jìn)行競爭－－獨(dú)占分配到的部分或全部共享資源，“互斥”直接制約：進(jìn)行協(xié)作－－等待來自其他進(jìn)程的信息，“同步”臨界資源:一次只允許一個進(jìn)程使用(訪問)的資源。如：硬件打印機(jī)、磁帶機(jī)等，軟件的消息緩沖隊(duì)列、變量、數(shù)組、緩沖區(qū)等。硬件或軟件（如外設(shè)、共享代碼段、共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），多個進(jìn)程在對其進(jìn)行訪問時（關(guān)鍵是進(jìn)行寫入或修改），必須互斥地進(jìn)行－－有些共享資源可以同時訪問，如只讀數(shù)據(jù)多道程序環(huán)境－進(jìn)程之間存在資源共享，進(jìn)程的運(yùn)行時間受影響信號量(Semaphores)操作系統(tǒng)作為一個地位高于進(jìn)程的管理者，可解決公有資源的使用問題。操作系統(tǒng)可從進(jìn)程管理者的角度來處理互斥的問題，信號量就是操作系統(tǒng)提供的管理公有資源的有效手段信號量(續(xù))1965年，荷蘭學(xué)者Dijkstra提出的信號量機(jī)制是一種卓有成效的進(jìn)程同步工具，在長期廣泛的應(yīng)用中，信號量機(jī)制又得到了很大的發(fā)展，它從整型信號量機(jī)制發(fā)展到記錄型信號量機(jī)制，進(jìn)而發(fā)展為“信號集”機(jī)制?，F(xiàn)在信號量機(jī)制已廣泛應(yīng)用于OS中。一種不需要忙等待的同步工具.每個信號量s除一個整數(shù)值s.value（計(jì)數(shù)）外，還有一個進(jìn)程等待隊(duì)列s.L。信號量只能通過初始化和兩個標(biāo)準(zhǔn)的原語操作來訪問－－作為OS核心代碼執(zhí)行，不受進(jìn)程調(diào)度的打斷初始化指定一個非負(fù)整數(shù)值，表示空閑資源總數(shù)（又稱為"資源信號量"）－－若為非負(fù)值表示當(dāng)前的空閑資源數(shù)，若為負(fù)值其絕對值表示當(dāng)前等待臨界區(qū)的進(jìn)程數(shù)“二值信號量(binarysemaphore)"：只允許信號量取0或1值信號量實(shí)現(xiàn)定義 typedefstruct{ intvalue;

structprocess*L;//等待信號量的進(jìn)程隊(duì)列

}semaphore;

假設(shè)一些簡單操作:block()阻塞調(diào)用它的進(jìn)程.wakeup(P)喚醒進(jìn)程P.信號量實(shí)現(xiàn)信號量操作wait定義（也被稱作P操作）：

wait(S):

S.value--; if(S.value<0){ addthisprocesstoS.L;

block(); }

信號量操作signal定義（也被稱作V操作）：

signal(S):

S.value++; if(S.value<=0){ removeaprocessPfromS.L;

wakeup(P); }信號量用法Shareddata: semaphoremutex;mutex.value=1;//initially

ProcessPi:

do{

wait(mutex);

臨界區(qū) signal(mutex);

剩余區(qū)

}while(1);

利用信號量的互斥實(shí)現(xiàn)

信號量是同步工具在進(jìn)程Pi的A后執(zhí)行Pj中的B信號量flag初始＝0代碼: Pi Pj … …

A

wait(flag)

signal(flag) B……wait、signal操作討論信號量的物理含義

S.value>0表示有S個資源可用；

S.value=0表示無資源可用或表示不允許進(jìn)程再進(jìn)入臨界區(qū)；

S.value<0則|S.value|表示在等待隊(duì)列中進(jìn)程的個數(shù)或表示等待進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程個數(shù)。

wait(S)：表示申請一個資源；signal(S)表示釋放一個資源。

利用信號量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥為使多個進(jìn)程能互斥地訪問某臨界資源，只需為該資源設(shè)置一個互斥信號量mutex,并設(shè)其初值為1，然后將各進(jìn)程的臨界區(qū)CS置于wait(mutex)和signal(mutex)操作之間即可。利用信號量實(shí)現(xiàn)共享打印機(jī)的A、B兩進(jìn)程互斥的類并行PASCAL程序描述如下：利用信號量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥-1varmutex:=semaphore:=1；beginparbeginA:beginB:beginInputdatd1fromI/01；Inputdatd2fromI/O2；Compute……；Compute……；

wait(mutex)；wait(mutex)；Printresults1byprinter;Printresults2byprinter;

signal(mutex)；signal(mutex)；

endendparendend利用信號量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步利用信號量能解決進(jìn)程間的同步問題，這里以如圖所示的計(jì)算進(jìn)程C和打印進(jìn)程P通過緩沖區(qū)Buffer傳送數(shù)據(jù)的同步問題為例說明。

BufferCP利用信號量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步-1C和P兩進(jìn)程基本算法如下：C：beginP:beginrepeatrepeatComputenextnumber;takefromBuffer;addtoBuffer;printlastnumber;untilfalseuntilfalseendendC和P兩進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，必須在執(zhí)行序列上遵循以下規(guī)則，才能避免錯誤。只有當(dāng)C進(jìn)程把數(shù)據(jù)送入Buffer后，P進(jìn)程才能從Buffer中取出數(shù)據(jù)來打印，否則P進(jìn)程只能等待。只有當(dāng)P進(jìn)程從Buffer中取走數(shù)據(jù)后，C進(jìn)程才能將新計(jì)算的數(shù)據(jù)再存入Buffer,否則C進(jìn)程也只能等待。利用信號量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步-2為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步，需采用同步信號量。為了滿足第一條同步規(guī)則，設(shè)置一個同步信號量full，它代表的資源是緩沖器滿，它的初值為0。同樣為了滿足第二條同步規(guī)則，設(shè)置另一個同步信號量empty，它代表的資源是緩沖器空，它的初值為1。實(shí)現(xiàn)C和P兩進(jìn)程同步的類PASCAL程序：var:empty,full:semaphore:=1,0；beginparbeginC:beginrepeatComputenextnumber；

wait(empty)；Addtobuffer；

siganl(full)；untilfalseendP:beginrepeat

wait(full)；TakefromBuffer；

signal(empty)；Printlastnumber；untilfalseendparendendwait、signal操作討論wait、signal操作必須成對出現(xiàn)，有一個wait操作就一定有一個signal操作。當(dāng)為互斥操作時，它們同處于同一進(jìn)程。當(dāng)為同步操作時，則不在同一進(jìn)程中出現(xiàn)。

如果兩個wait操作相鄰，那么它們的順序至關(guān)重要，而兩個相鄰的signal操作的順序無關(guān)緊要。一個同步wait操作與一個互斥wait操作在一起時，同步wait操作在互斥wait操作前。

wait、signal操作的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：簡單，而且表達(dá)能力強(qiáng)（用wait、signal操作可解決任何同步互斥問題。）

缺點(diǎn)：不夠安全；wait、signal操作使用不當(dāng)會出現(xiàn)死鎖；實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

經(jīng)典同步問題有限緩沖區(qū)問題(生產(chǎn)者消費(fèi)者問題）讀者寫者問題有限緩沖問題生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題是最著名的同步問題，它描述一組生產(chǎn)者（P1

……Pm）向一組消費(fèi)者（C1……Cq）提供消息。它們共享一個有界緩沖池（boundedbufferpool）,生產(chǎn)者向其中投放消息，消費(fèi)者從中取得消息，如下圖所示。生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題是許多相互合作進(jìn)程的一種抽象。有限緩沖問題假定緩沖池中有n個緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)存放一個消息。由于緩沖池是臨界資源，它只允許一個生產(chǎn)者投入消息，或者一個消費(fèi)者從中取出消息。即生產(chǎn)者之間、生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間、消費(fèi)者之間都必須互斥使用緩沖池。所以必須設(shè)置互斥信號量mutex，它代表緩沖池資源，它的數(shù)值為1。P1PmmC1CqB0B1….…...………

Bn-1

有限緩沖問題生產(chǎn)者和消費(fèi)者二類進(jìn)程P和C之間應(yīng)滿足下列二個同步條件：只有在緩沖池中至少有一個緩沖區(qū)已存入消息后，消費(fèi)者才能從中提取消息，否則消費(fèi)者必須等待。只有緩沖池中至少有一個緩沖區(qū)是空時，生產(chǎn)者才能把消息放入緩沖區(qū)，否則生產(chǎn)者必須等待。為了滿足第一個同步條件，設(shè)置一個同步信號量full，它代表的資源是緩沖區(qū)滿，它的初始值為0，它的值為n時整個緩沖池滿。同樣為了滿足第二個同步條件，設(shè)置另一個同步信號量empty，它代表的資源是緩沖區(qū)空，它的初始值為n，表示緩沖池中所有緩沖區(qū)空。有限緩沖問題定義信號量

semaphorefull,empty,mutex;

初值:

full=0,empty=n,mutex=1n表示緩沖區(qū)個數(shù)生產(chǎn)者進(jìn)程結(jié)構(gòu)（1）

do{ … produceaniteminnextp …

… addnextptobuffer …

}while(1);無互斥同步

消費(fèi)者進(jìn)程結(jié)構(gòu)（1）

do{

… removeanitemfrombuffertonextc …

… consumetheiteminnextc … }while(1);無互斥同步生產(chǎn)者進(jìn)程結(jié)構(gòu)（2）

do{ … produceaniteminnextp …

wait(mutex); … addnextptobuffer … signal(mutex);

}while(1);互斥

消費(fèi)者進(jìn)程結(jié)構(gòu)（2）

do{

wait(mutex); … removeanitemfrombuffertonextc … signal(mutex);

… c