两个进程在进行互斥操作中的P操作和V操作的物理意义是什么？

Answer 1

进程管理

l 程序顺序执行与并发执行比较

顺序执行
并发执行

程序顺序执行
间断执行，多个程序各自在“走走停停”种进行

程序具有封闭性
程序失去封闭性

独享资源
共享资源

具有可在现性
失去可再现性

有直接和简接的相互制约

l 多道程序设计概念及其优点

1. 多道程序设计：是在一台计算机上同时运行两个或更多个程序。

2. 多道程序设计的特点：多个程序共享系统资源、多个程序并发执行

3. 多道程序设计的优点：提高资源利用率、增加系统吞吐量

l 什么是进程，进程与程序的区别和关系

1. 进程的引入：

由于多道程序的特点，程序具有了并行、制约和动态的特征，就使得原来程序的概念已难以刻划和反映系统中的情况了。

2. 进程：程序在并发环境下的执行过程。

3. 进程与程序的主要区别：

1) 程序是永存的，进程是暂时的

2) 程序是静态的观念，进程是动态的观念

3) 进程由三部分组成

程序

数据

进程控制块（描述进程活动情况的数据结构）

4) 进程和程序不是一一对应的

Ø 一个程序可对应多个进程即多个进程可执行同一程序

Ø 一个进程可以执行一个或几个程序

4. 程序与进程的类比

程 序
进 程

唱歌的曲谱或音乐乐器的乐谱
演出或演奏

剧本
演出

菜谱
烹调

5. 进程特征：动态性、并发性、调度性、异步性、结构性

l 进程的基本状态及其转换

1. 进程基本状态：

1) 运行态（Running）：进程正在占用CPU；

2) 就绪态（Ready）：进程具备运行条件，但尚未占用CPU；

3) 阻塞态（Blocked）：进程由于等待某一事件不能享用CPU。

2. 进程状态转换：

l 进程是由哪些部分组成, 进程控制块的作用

1. 进程的组成：由程序、数据集合和PCB三部分组成。

2. 进程控制块的作用：进程控制块是进程组成中最关键的部分。

1) 每个进程有唯一的PCB。

2) 操作系统根据PCB对进程实施控制和管理。

3) 进程的动态、并发等特征是利用PCB表现出来的。

4) PCB是进程存在的唯一标志。

l PCB组织方式

线性队列、链接表、索引表

l UNIX进程管理命令：

l UNIX进程管理命令：

1. ps--显示进程状态

功能：检查系统中当前存在的进程状态。

例如

$ ps 显示与控制中断相关进程的基本信息

2. sleep--使进程睡眠

功能：使进程暂停执行一段时间，其参数单位是秒。

例如

$ sleep 60 将等待60秒后，才重新回到$提示符

3. &--后台命令符

功能：命令行末尾加上&字符，此命令进程将在后台执行。

例如

$ ls –l/usr& 创建一个显示目录命令进程，它在后台执行，即没有前台进程运行时它才得以运行

4. wait--等待后台进程结束

功能：等待后台进程结束。

例如

$ wait 2080 等待PID为2080的后台进程终止

5. kill--终止进程

功能：终止一个进程执行。

例如 （在超级用户方式下）

# kill 678 停止PID为678的进程运行

6. nice--设置优先级

功能：是以不同的优先级执行一条命令

例如

普通用户只能降低优先级：

$ nice –n 10 cc f1.c 执行cc f1.c命令时的nice值为30（即20+10）

超级用户（root）可以提高进程的优先级（即：增量值可取不小于-20的负数）

# nice -n -10 vi abc 执行vi abc (编辑命令)的nice值为10（即20-10）

l 进程的同步与互斥

1. 同步：是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。

2. 互斥：排它性访问即竞争同一个物理资源而相互制约。

l 什么是临界资源、临界区？

1. 临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。

2. 临界区：在每个进程中访问临界资源的那段程序。

3. 互斥进入临界区的准则：

1) 如果有若干进程要求进入空闲的临界区，一次仅允许一个进程进入。

2) 任何时候，处于临界区内的进程不可多于一个。如已有进程进入自己的临界区，则其它所有试图进入临界区的进程必须等待。

3) 进入临界区的进程要在有限时间内退出，以便其它进程能及时进入自己的临界区。

4) 如果进程不能进入自己的临界区，则应让出CPU，避免进程出现“忙等”现象。

l 信号量

1. 信号量定义：

信号量（信号灯）=＜信号量的值，指向PCB的指针＞

2. 信号量的物理意义：

大于0：表示当前资源可用数量

1) 信号量的值

小于0：其绝对值表示等待使用该资源的进程个数

2) 信号量初值为非负的整数变量，代表资源数。

3) 信号量值可变，但仅能由P、V操作来改变。

l P，V操作原语

1. P操作原语P(S) ：

1) P操作一次，S值减1，即S＝S－1（请求分配一资源）；

2) 如果S≥0，则该进程继续执行；

如果S＜0表示无资源，则该进程的状态置为阻塞态，把相应的PCB连入该信号量队列的末尾，并放弃处理机，进行等待（直至另一个进程执行V（S）操作）。

2. V操作原语（荷兰语的等待）V(S) ：

1) V操作一次，S值加1，即S＝S+1（释放一单位量资源）；

2) 如果S＞0，表示有资源，则该进程继续执行；

如果S≤0，则释放信号量队列上的第一个PCB所对应的进程（阻塞态改为就绪态），执行V操作的进程继续执行。

l 进程间简单同步与互斥的实现

1. 用P，V原语实现互斥的一般模型：

设互斥信号量mutex初值为1

2. 用P、V原语操作实现简单同步的例子

供者和用者对缓冲区的使用关系如下图：

S1缓冲区是否空（0表示不空，1表示空），初值S1=0；

S2缓冲区是否满（0表示不满，1表示满），初值S2=0；

3. 生产者---消费者问题（OS典型例子）

mutex互斥信号量，初值为1；full满缓冲区数，初值为0；empty空缓冲区数，初值为N；

4. 应用举例

[例1] 设系统中只有一台打印机，有三个用户的程序在执行过程中都要使用打印机输出计算结果。设每个用户程序对应一个进程。问：这三个进程间有什么样的制约关系？使用P、V操作写出这些进程使用打印机的算法。

[解]

由于打印机是一种临界资源，故三个进程只能互斥使用这台打印机。设三个进程分别为PA、PB和PC，互斥信号量mutex初值为1，执行过程如下：

[例2] 判断下面的同步问题的算法是否正确？若有错，请指出错误原因并予以改正。

1） 设A、B两进程共用一个缓冲区Q，A向Q写入信息，B则从Q读出信息，算法框图如图所示。

注：信号量S的初值为0

[解] 该算法不正确。因为A、B两个进程共用一个缓冲区Q，如果A先运行，且信息数量足够多，则缓冲区Q中的信息就会发生后面的冲掉前面的，造成信息丢失，B就不能从Q中读出完整的信息。改正如下：

A、B两进程同步使用缓冲区Q，应设定两个信号量：

empty 表示缓冲区Q为空，初值为1；full表示缓冲区Q已满，初值为0

算法框图如下：

2） 设A、B为两个并发进程，它们共享一临界资源。其运行临界区的算法框图如图所示。

[解] 该算法不正确。因为A、B两个进程并发执行，且共享一临界资源，故A、B应互斥地使用该临界资源，即在某一时刻只允许一个进程进入该临界资源，无时序关系。

改正算法：A、B二进程应互斥进入临界区，设定一信号量mutex，初值为1。

[例2] 设有一台计算机，有两个I/O通道，分别接一台卡片输入机和一台打印机。卡片机把一叠卡片逐一输入到缓冲区B1中，加工处理后再搬到缓冲区B2中，并在打印机上印出，问：

1) 系统要设几个进程来完成这个任务？各自的工作是什么？

2) 这些进程间有什么样的相互制约关系？

3) 用P、V操作写出这些进程的同步算法。

[解]

1) 系统可设三个进程来完成该任务：Read进程负责从卡片输入机上读入卡片信息，输入到缓冲区B1中；Get进程负责从缓冲区B1中取出信息，进行加工处理，之后将结果送到缓冲区B2中；Print进程负责从缓冲区B2中取出信息，并在打印机上打印输出。

2) 操作过程：

? Read进程受Get进程的影响，B1缓冲区中放满信息后Read进程要等待get进程将其中信息全部取走后才能读入信息；

? Get进程受Read进程和Print进程的约束：B1缓冲区中信息放满后，Get进程才可从中取走信息，且B2缓冲区信息被取空后Get进程才能将加工结果送入其中；

? Print进程受Get进程的约束，B2缓冲区中信息放满后Print进程方可取出信息进行打印输出。

3) 信号量的含义及初值：

? B1full——缓冲区B1满，初值为0

? B1empty——缓冲区B1空，初值为0

? B2full——缓冲区B2满，初值为0

? B2empty——缓冲区B2空，初值为0

4) 操作框图如下：

l 进程简单通信

分类
低级通信机构
高级通信机构

特点
传递信息量非常有限
通信的效率低
方便高效地交换大量信息

应用
互斥和同步机构
共享存储器
消息传递
管道文件

参考资料：http://www.ahtvu.ah.cn/jxc1/zhykch/5103/kc2.htm

Answer 2

P：申请资源，即系统资源减1；
V：释放资源，即系统资源加1；