學(xué)生在理解信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥時(shí)常見問題

【摘 要】在計(jì)算機(jī)教學(xué)過程中，利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。本文重點(diǎn)討論在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生用信號(hào)量時(shí)的常見問題并給出這些問題的解決方法。

【關(guān)鍵詞】進(jìn)程互斥；進(jìn)程同步；信號(hào)量

0 引言

操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的必修課程，是非常重要的一門核心課程。筆者在操作系統(tǒng)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)在所有的章節(jié)中，進(jìn)程的互斥與同步是學(xué)生最難掌握的部分。本文詳細(xì)分析了學(xué)生在進(jìn)程互斥與同步學(xué)習(xí)過程中遇到的常見問題，并提出解決方法。

1 進(jìn)程互斥與同步概念

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的三個(gè)主要特征是并發(fā)性、資源共享和異步性。所謂并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)活動(dòng)在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生，在多道程序環(huán)境下是指在一段時(shí)間內(nèi)可有多道程序同時(shí)運(yùn)行。正是由于并發(fā)機(jī)制才導(dǎo)致了程序的執(zhí)行不可預(yù)測(cè)，并發(fā)性又是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享的必要條件。系統(tǒng)中的多個(gè)并發(fā)進(jìn)程之間因?yàn)楣蚕碣Y源而形成兩種相互制約關(guān)系：間接制約關(guān)系——互斥，直接制約關(guān)系——同步。[5]

1.1 進(jìn)程互斥

是進(jìn)程間的一種間接制約關(guān)系，他們并不知道其他進(jìn)程的存在。例如，在批處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)分別為各個(gè)作業(yè)建立了進(jìn)程；在分時(shí)系統(tǒng)中，系統(tǒng)分別為每個(gè)用戶建立了一個(gè)進(jìn)程。這些進(jìn)程同處于一個(gè)系統(tǒng)中，必然存在資源共享的關(guān)系。由于某些資源的屬性要求一次只能有一個(gè)進(jìn)程訪問，我們稱這樣的資源為臨界資源。[3]由于系統(tǒng)不能允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問臨界資源，所以進(jìn)程間必然產(chǎn)生對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)。因此，互斥直觀理解就是一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。例如一個(gè)學(xué)生宿舍房間內(nèi)的洗漱間使用問題；顯然，洗漱間在沒有人使用時(shí)（可以看成初始狀態(tài)），對(duì)于任何一個(gè)同學(xué)都是可用的，其洗漱間的信號(hào)量初值應(yīng)當(dāng)為1（表達(dá)一種狀態(tài)，也可以看成資源的數(shù)目，不過作為一種狀態(tài)更恰當(dāng)），見圖1。（誰的速度快的問題）。

圖1 互斥的事例

圖2 同步的事例

1.2 進(jìn)程同步

多個(gè)進(jìn)程知道彼此的存在，更多的表現(xiàn)出一種合作關(guān)系。此時(shí)要保證相互合作的多個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行次序上的協(xié)調(diào)，不能出現(xiàn)與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)我。系統(tǒng)中多個(gè)進(jìn)程間發(fā)生的時(shí)間存在某種時(shí)序關(guān)系，需要相互合作，共同完成一項(xiàng)任務(wù)。進(jìn)程間的這種關(guān)系稱為進(jìn)程同步。例如學(xué)校運(yùn)動(dòng)會(huì)中接力競(jìng)賽問題；見圖2.，顯然，任何一組由4人組成的參賽隊(duì)只有在發(fā)令員發(fā)令（看成初始狀態(tài)）之后，第1個(gè)人才能跑，其他3人是順序接力的，不可能是4個(gè)人都可以同時(shí)跑，4個(gè)人之間是同步關(guān)系，即在初始狀態(tài)（各就位）只有第1個(gè)人可以跑，其他人是不可以的，要等待（“通知”）。

2 信號(hào)量的概念和含義

信號(hào)量是一個(gè)記錄型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它有兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。

Struc semaphore

{

int value；

pointer_PCB queue；

}S；

信號(hào)量的物理含義：在進(jìn)程互斥的情況下，信號(hào)量可以看成是一把鎖；在進(jìn)程同步的情況下，信號(hào)量可以代表一種資源的使用權(quán)，信號(hào)量的值大于0時(shí)表示系統(tǒng)中某類可用的資源的數(shù)目，當(dāng)其值小于0時(shí)，其絕對(duì)值表示系統(tǒng)中因請(qǐng)求該類資源而被阻塞的進(jìn)程數(shù)目。除了初始化外，對(duì)信號(hào)量只能有兩個(gè)操作：P（S）操作和V（S）操作。這兩操作定義為：

■

其中P操作物理含義為申請(qǐng)資源的操作，每執(zhí)行一次P操作，信號(hào)量的值就會(huì)減一，表明可用的資源少了一個(gè)；V操作的物理含義為釋放資源的操作，每執(zhí)行一次V操作，信號(hào)量的值就會(huì)加一，表明可用的資源數(shù)增加了一個(gè)。

3 學(xué)生在運(yùn)用信號(hào)量解決問題時(shí)常見問題

3.1 分不清楚進(jìn)程之間的關(guān)系

進(jìn)程之間的關(guān)系是要解決的根本問題，如果前期進(jìn)程之間的關(guān)系分析不清楚，后續(xù)解題過程一定的錯(cuò)誤的。

例題1：某條河上只有一座獨(dú)木橋，以便行人過橋?，F(xiàn)在河的兩邊都有人要過橋，過橋規(guī)則：同一方向的可以連續(xù)過橋；一方有人過橋另一方的人要等待。該問題是非常明顯的讀者寫著問題的同類例題。橋兩邊的人是一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，競(jìng)爭(zhēng)的是橋這個(gè)臨界資源。同理，同一方向的人之間也是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，競(jìng)爭(zhēng)修改“人數(shù)”這個(gè)變量。在此要讓學(xué)生明白多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)程之間是沒有固定的先后順序的，可能一面的人先過橋，也可能另一面的人先過橋。

例題2：有一倉庫可以存放A，B兩種物品，每次只能存入一物品（A或B）存儲(chǔ)空間無限大， 只是要求-n

3.2 對(duì)信號(hào)量的概念及意義不清楚

在信號(hào)量概念學(xué)習(xí)過程中首先要讓學(xué)生清楚信號(hào)量和整型變量的根本區(qū)別。整型變量在內(nèi)存中占有4個(gè)字節(jié)，僅能存放數(shù)值；而信號(hào)量類型不僅能表示資源數(shù)量，更重要在于為申請(qǐng)資（下轉(zhuǎn)第323頁）（上接第192頁）源而得不到滿足的進(jìn)程提供阻塞鏈接隊(duì)頭指針。其次要不斷強(qiáng)化信號(hào)量類型數(shù)據(jù)僅僅能夠進(jìn)行P，V操作，不可以進(jìn)行除了P，V之外的任何操作。例如上面例題2：有同學(xué)寫出如下代碼：

Semophere counta=countb=0，mutex=1；

存入A：

{

A生產(chǎn)產(chǎn)品；

P（mutex）；

If（counta-countb-n）

存入A；

V（mutex）；

}

在這段代碼中，第一個(gè)問題是沒有搞清楚信號(hào)量的基本操作只能是P，V，不能有其他的加減及判斷；第二個(gè)問題是沒有搞清楚信號(hào)量的含義，當(dāng)申請(qǐng)存入A而得不到滿足的時(shí)候，進(jìn)程是要阻塞的。按照上述程序，如果不符合判斷條件，則產(chǎn)品拋棄，繼續(xù)下一個(gè)進(jìn)程。這明顯是錯(cuò)誤的。本題目正確的做法是：

Semophere counta=m-1，//當(dāng)B產(chǎn)品一個(gè)都不放，A最多可以放m-1個(gè)產(chǎn)品；

countb=n-1，//當(dāng)A產(chǎn)品一個(gè)都不放，B最多可以放N-1個(gè)產(chǎn)品；

mutex=1；

存入A： 存入B：

{ {

A生產(chǎn)產(chǎn)品； B生產(chǎn)產(chǎn)品；

P（counta） ；

p（countb）；

P（mutex）； p（mutex）；

存入A；

存入B；

V（countb）；

V（counta）；

} }

3.3 信號(hào)量命名不清楚，不明確

這個(gè)問題是從教科書上生產(chǎn)者消費(fèi)者問題延續(xù)而來。在生產(chǎn)者消費(fèi)者問題中設(shè)置的full，empty信號(hào)量其實(shí)含義不是特別清楚明了。如果改成buffer和product則明了很多，無論從資源的角度看還是從前驅(qū)關(guān)系的角度看都特別清楚明了。學(xué)生們?cè)谟?jì)算機(jī)基礎(chǔ)中學(xué)過變量的命名規(guī)則，作者認(rèn)為變量的命名規(guī)則同樣適用信號(hào)量的命名規(guī)則。

4 結(jié)束語

操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一就是資源的充分利用，進(jìn)程的并發(fā)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要方法，而并發(fā)又離不開進(jìn)程的同步和互斥。信號(hào)量是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥與同步既方便又高效的工具。在操作系統(tǒng)課程的教學(xué)中， 利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥的問題還將繼續(xù)研究下去。

【參考文獻(xiàn)】

[1][美]William Stallings.操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計(jì)原理[M].5版.陳渝，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]湯子瀛，哲風(fēng)屏，湯小丹，編.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（修訂版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]范策，許憲成，黃紅桃，李暢.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程：核心與設(shè)計(jì)原理[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[4]李芳，夏宇.簡析操作系統(tǒng)中進(jìn)程間的相互制約關(guān)系[J].湖北：黃石理工學(xué)院 2007-8.

[5]李暢，范策.進(jìn)程互斥與同步解析[J].廣州：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2010，12.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]