操作系统-进程(三)
2020 年 11 月 27 日 221 2327 字 暂无评论

01.管程

1.1为什么要引入管程

  • 信号量机制存在的问题:编写程序困难、易出错。
  • 1973年,Brinch Hansen 首次在程序设计语言(Pascal)中引入了“管程”成分--一种高级同步机制

1.2管程的定义和基本特征

  • 管程是一种特殊的软件模块,有这些部分组成:

    • 局部于管程的共享数据结构说明。
    • 对该数据结构进行操作的一组过程
    • 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句。
    • 管程有一个名字。
  • 管程的基本特征:

    • 局部于管程的数据只能被局部于管程的过程所访问。
    • 一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程访问共享数据。
    • 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程

1.3用管程解决生产者消费者问题

  • 引入管程的目的无非就是要更方便地实现进程互斥和同步。

    • 需要在管程中定义共享数据(如生产者消费者问题的缓冲区)。
    • 需要在管程中定义用于访问这些共享数据的“入口”--其实就是一些函数。
    • 只有通过这些特定的“入口”才能访问共享数据
    • 管程中有很多“入口”,但是每次只能开放其中一个“入口”,并且只能让一个进程或线程进入。注意:这种互斥特性是由编译器负责实现的
    • 可在管程中设置条件变量等待/唤醒操作以解决同步问题。可以让一个进程或线程在条件变量上等待。(此时,该进程应该先释放管程的使用权,也就是让出“入口”)。可以通过唤醒操作将等待在条件变量上的进程或线程唤醒。

02.死锁

2.1概念

  • 在并发环境下,各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源,导致各进程都阻塞,都无法向前推进的现象,就是“死锁”。
  • 发生死锁后若无外力干涉,这些进程都将无法向前推进。

2.2死锁、饥饿、死循环的区别

  • 死锁:各进程互相等待对方手里的资源,导致各进程都阻塞,无法向前推进的现象。
  • 饥饿:由于长期得不到想要的资源,某进程无法向前推进的现象。
  • 死循环:某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。有时是因为程序bug导致,有时是程序员故意设计的。

2.3死锁产生的必要条件

  • 产生死锁必须同时满足以下四个条件,只要其中任一条件不成立,死锁就不会发生。

    • 互斥条件:只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁。
    • 不剥夺条件:进程所获得的资源在未使用完之前,不能由其他进程强行夺走,只能主动释放。
    • 请求和保持条件:进程已经保持了至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源又被其他进程占有,此时请求进程被阻塞,但又对自己已有的资源保持不放。
    • 循环等待条件:存在一种进程资源的循环等待链,链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。
  • 注意:发生死锁时一定有循环等待,但发生循环等待时未必死锁。
  • 什么时候会发生死锁

    • 对系统资源的竞争。
    • 进程推进顺序非法。
    • 信号量的使用不当。

2.4死锁的处理策略--预防死锁

  • 破坏互斥条件

    • 互斥条件:只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁。
    • 缺点:并不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。并且为了系统安全,很多地方还必须保护这种互斥性。因此,很多时候都无法破坏互斥条件
  • 破坏不剥夺条件

    • 不剥夺条件:进程所获得的资源在未使用完之前,不能由其他进程强行夺走,只能主动释放。
    • 缺点

      • 实现起来比较复杂。
      • 释放已获得的资源可能造成前一阶段工作的失效。因此这种方法一般只适用于易保存和恢复状态的资源,如CPU。
      • 反复地申请和释放资源会增加系统开销,降低系统吞吐量。
      • 可能会导致进程饥饿。
  • 破坏请求和保持条件

    • 请求和保持条件:进程已经保持了至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源又被其他进程占有,此时请求进程被阻塞,但又对自己已有的资源保持不放。
    • 可以采用静态分配方法,即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源,在它的资源未满足前,不让它投入运行。一旦投入运行后,这些资源就一直归它所有,该进程就不会再请求别的任何资源。
    • 缺点

      • 有些资源可能只需要很短的时间,因此如果进程的整个运行期间都一直保持着所有资源,就会造成严重的资源浪费,资源利用率极低
      • 可能导致某些进程饥饿

  • 破坏循环等待条件

    • 循环等待条件:存在一种进程资源的循环等待链,链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。
    • 可采用顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号,规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源,同类资源(即编号相同的资源)一次申请完。
    • 缺点

      • 不方便增加新的设备,因为可能需要重新分配所有的编号。
      • 进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致,会导致资源浪费。
      • 必须按规定次序申请资源,用户编程麻烦。

2.5死锁的处理策略--避免死锁

  • 安全序列

    • 指如果系统按照这种序列分配资源,则每个进程都能顺利完成。只要能找出一个安全序列,系统就是安全状态
    • 安全序列可能有多个
  • 不安全状态

    • 如果分配了资源之后,系统中找不出任何一个安全序列,系统就进入了不安全状态。这就意味着之后可能所有进程都无法顺利的执行下去。
    • 如果有进程提前归还了一些资源,那么系统也有可能重新回到安全状态
  • 如果系统处于安全状态,就一定不会发生死锁。如果系统进入不安全状态,不安全状态未必就是发生死锁,但发生死锁时一定是在不安全状态。
  • 因此可以在资源分配之前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态,以此决定是否答应资源分配请求。这也是“银行家算法”的核心思想。

银行家算法

  • 银行家算法是荷兰学者Dijkstra为银行系统设计的,以确保银行在发放现金贷款时,不会发生不能满足所有客户需要的情况。后来该算法被用在操作系统中,用于避免死锁
  • 核心思想:在进程提出资源申请时,先预判此次分配是否会导致系统进入不安全状态。如果会进入不安全状态,就暂时不答应这次请求,让该进程先阻塞等待。

2.6死锁的处理策略--检测和解除

  • 如果系统中既不采取预防死锁的措施,也不采取避免死锁的措施,系统就很可能发生死锁。在这种情况下,系统应当提供两个算法。

    • 死锁检测算法:用于检测系统状态,以确定系统中是否发生了死锁。
    • 死锁解除算法:当认定系统中已经发生了死锁,利用该算法可将系统从死锁状态中解脱出来。
  • 死锁的检测

    • 某种数据结构来保存资源的请求和分配信息。
    • 提供一种算法,利用上述信息来检测系统是否已进入死锁状态。

解除死锁的主要方法有:

  • 资源剥夺法

    • 挂起某些死锁进程,并抢占它的资源,将这些资源分配给其他的死锁进程。
    • 但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿。
  • 撤销进程法(或称终止进程法)

    • 强制撤销部分、甚至全部死锁进程,并剥夺这些进程的资源。
  • 进程回退法

    • 让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步。
    • 这就要求系统记录进程的历史信息,设置还原点。

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