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  第26题      
  知识点:   进程间的通信   进程   信号   信号量
  关键词:   PV   范围   进程   信号量   信号        章/节:   软件基础知识       

 
假设系统有n(n≥3)个进程共享资源R,且资源R的可用数3。若采用PV操作,则相应的信号量S的取值范围应为(26)。
 
 
  A.  -1~n-1
 
  B.  -3~3
 
  C.  -(n-3)~3
 
  D.  -(n-1)~1
 
 
 

 
  第26题    2015年下半年  
   22%
已知有5个进程共享一个互斥段,如果最多允许2个进程同时进入互斥段,则相应的信号量的变化范围是 (26) 。
  第27题    2009年下半年  
   40%
在操作系统的进程管理中,若系统中有10个进程使用互斥资源R,每次只允许3个进程进入互斥段(临界区),则信号量S的变化范围是(2..
  第25题    2015年上半年  
   19%
假设有5个进程共享一个互斥段X,如果最多允许2个进程同时进入互斥段X,则信号量S的变化范围是(25);若信号量S的当前值为-3,则表..
   知识点讲解    
   · 进程间的通信    · 进程    · 信号    · 信号量
 
       进程间的通信
               同步与互斥
               在操作系统中,多个进程并发执行,因此进程间必然存在资源共享和相互合作的问题。
               1)进程间的同步
               一般情况下,一个进程相对于另一个进程的速度是不可预测的,也就是说,进程之间是异步运行的。为了成功地协同工作,有关进程在某些确定的点上应当保持同步:一个进程到达了这些点后,除非另一进程已经完成了某个活动,否则就停下来,等待该活动结束。
               同步是指进程之间的一种协同工作关系,使这些进程相互合作,共同完成一项任务。进程间的直接相互作用构成进程的同步。同步机制应满足的基本要求是:有描述能力、可以实现、效率高、使用方便。
               2)进程间的互斥
               在多道系统中,各进程可以共享各类资源,但有些资源一次只能供一个进程使用。这种资源称为临界资源,如打印机、公共变量、表格等。互斥是要保证临界资源在某一时刻只被一个进程访问。
               3)临界区管理的原则
               临界区是进程中对临界资源实施操作的那段程序。对互斥临界区管理的原则是:有空即进、无空则等、有限等待、让权等待。
               信号量机制
               信号量机制是一种有效的进程同步与互斥工具。目前主要有:整型信号量、记录型信号量、信号量集机制。
               1)整型信号量与P操作和V操作
               信号量是一个整型变量,根据控制对象的不同被赋予不同的值。信号量分为两类:公用信号量,实现进程间的互斥,初值为1或资源的数目;私用信号量,实现进程间的同步,初值为0或某个正整数。
               信号量S的物理意义:S≥0表示某资源的可用数,若S<0,则其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数。
               除了设置初值外,对信号量只能进行特殊的操作:P操作和V操作。P操作和V操作都是不可分割的原子动作,也称为原语,其中P操作表示申请一个资源,V操作表示释放一个资源。
               P操作和V操作都是原语。利用信号量S的取值表示共享资源的使用情况。在使用时,把信号量S放在进程运行的环境中,赋予其不同的初值,并在其上实施P操作和V操作,以实现进程间的同步与互斥。
               P操作和V操作的定义如下。
               P(S):①S=S-1;②若S<0,则该进程进入S信号量的队列中等待。
               V(S):①S=S+1; ②若S≤0,则释放S信号量队列上的一个等待进程,使之进入就绪队列。
               当S>0时,表示还有资源可以分配;当S<0时,其绝对值表示信号量等待队列中进程的数目。每执行一次P操作,意味着要求分配一个资源;每执行一次V操作,就意味着释放一个资源。
               2)利用P操作和V操作实现进程的互斥
               令信号量mutex的初值为1,进入临界区时执行P操作,退出临界区时执行V操作,于是临界区就改写成下列形式的代码段:
               
               由于mutex初值为1, P、V是原子操作,可以实现互斥。
               高级通信原语
               P操作和V操作是用来协调进程间关系的,编程较困难、效率低,而且没有信息交换,故常称为低级通信原语。交换的信息量多时要引入高级通信原语,进程高级通信的类型主要有如下几种。
               (1)共享存储系统:相互通信的进程共享某些数据结构或存储区,以实现进程之间的通信。
               (2)消息传递系统:进程间的数据交换以消息为单位,程序员直接利用系统提供的一组通信命令(原语)来实现通信,如Send(A)、Receive(A)。
               (3)管道通信:所谓管道,是指用于连接一个读进程和一个写进程,以实现它们之间通信的共享文件(pipe文件)。向管道(共享文件)提供输入的发送进程(即写进程),以字符流的形式将大量的数据送入管道;而接收进程可从管道接收大量的数据。由于通信是采用管道的方式,所以叫管道通信。
 
       进程
        简单而言,一个进程就是一个正在运行的程序。一般来说,一个进程至少应该包括以下几个方面的内容。
        .相应的程序:进程既然是一个正在运行的程序,当然需要有相应程序的代码和数据。
        .CPU上下文:指程序在运行时,CPU中各种寄存器的当前值,包括:程序计数器,用于记录将要取出的指令的地址;程序状态字,用于记录处理器的运行状态信息;通用寄存器,用于存放数据或地址;段寄存器,用于存放程序中各个段的地址;栈指针寄存器,用于记录栈顶的当前位置。
        .一组系统资源:包括操作系统用来管理进程的数据结构、进程的内存地址空间、进程正在使用的文件等。
        进程有动态性、独立性和并发行三个特性。
        (1)动态性。进程是一个正在运行的程序,而程序的运行状态是在不断地变化的。例如,当一个程序在运行的时候,每执行完一条指令,PC寄存器的值就会增加,指向下一条即将执行的指令。而CPU中用来存放数据和地址的那些通用寄存器,它们的值肯定也不断地变化。另外,堆和栈的内容也在不断地变化,每当发生一次函数调用时,就会在栈中分配一块空间,用来存放此次函数调用的参数和局部变量。而当函数调用结束后,这块栈空间就会被释放掉。
        (2)独立性。一个进程是一个独立的实体,是计算机系统资源的使用单位。每个进程都有自己的运行上下文和内部状态,在它运行的时候独立于其他的进程。
        (3)并发性。从宏观上来看,在系统中同时有多个进程存在,它们相互独立地运行。
        下图表示四个进程A、B、C、D在系统中并发地运行。从中可以看出,虽然从宏观上来说,这四个进程都是在系统中运行,但从微观上来看,在任何一个特定的时刻,只有一个进程在CPU上运行。从时间上来看,开始是进程A在运行,然后是进程B在运行,然后是进程C和进程D。接下来又轮到了进程A去运行。因此,在单CPU的情形下,所谓的并发性,指的是宏观上并发运行,而微观上还是顺序运行,各个进程轮流去使用CPU资源。
        
        四个进程在并发运行
        在具体实现上,以CPU中的程序计数器PC为例,真正物理上的PC寄存器只有一个。当四个进程在轮流执行时,PC取值的运动轨迹是先在进程A内部流动,然后再到进程B的内部流动,再到进程C和D。从进程的独立性角度来说,每个进程都有“自己”独立的PC寄存器,即逻辑上的PC寄存器,它们的取值相互独立、互不影响。所谓的逻辑PC,其实就是一个内存变量。例如,在上图中,当进程A要执行的时候,就把A的逻辑PC的值拷贝到物理PC中,然后开始运行。当轮到B运行的时候,先把物理PC的当前值保存到A的逻辑PC中,然后再把B的逻辑PC的值装入到物理PC中,即可运行。这样就实现了各个进程的轮流运行。
 
       信号
        任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间,可以通过相互发送信号的方式,来协调它们之间的运行步调。
        所谓的信号,指的是系统给任务的一个指示,表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部(如其他的任务、硬件或定时器),也可能来自于内部(如执行指令出错)。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR(Asynchronous Signal Routine),与中断服务程序不同的是,ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候,如果它收到了一个信号,将暂停执行当前的指令,转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换,因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。
        信号机制与中断处理机制非常相似,但又各有不同。它们的相同点是:
        .都具有中断性:在处理中断和异步信号时,都要暂时地中断当前任务的运行;
        .都有相应的服务程序;
        .都可以屏蔽响应:外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽,任务也能够选择不对异步信号进行响应。
        信号机制与中断机制的不同点是:
        .中断是由硬件或特定的指令产生,而信号是由系统调用产生;
        .中断触发后,硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行;而信号则通过发送信号的系统调用来触发,但系统不一定马上对它进行处理;
        .中断处理程序是在系统内核的上下文中运行,是全局的;而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行,是任务的一个组成部分。
        实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞,可能出现优先级反转的现象,即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时,高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞,问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务,导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。
        
        一个优先级反转的示例
        如上图所示,系统存在任务1、任务2、任务3(优先级从高到低排列)和资源R。某时,任务1和任务2都被阻塞,任务3运行且占用资源R。一段时间后,任务1和任务2相继就绪,任务1抢占任务3运行,由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3,任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R,因此任务1一直被阻塞。极端情况下,任务1永远无法运行,处于饿死状态。
        解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。
               优先级继承协议
               L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议(Priority Inheritance Protocol,PIP)。
               PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用,而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是:当低优先级任务正在使用资源,高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时,低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别,保证低优先级任务继续使用当前资源,以尽快完成访问,尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行,从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中,继承了高优先级任务的优先级,所以该协议被称作优先级继承协议。
               由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时,优先级继承才会发生,在此之前,高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行,所以优先级继承协议不能防止死锁,而且阻塞是可以传递的,会形成链式阻塞。另外,优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下,一个需要μ个资源,并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min(μ,v)次。
               优先级冲顶协议
               J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议(Priority Ceiling Protocol,PCP)。
               PCP协议扩展了PIP协议,能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的,每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值,等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻,当前系统冲顶值(current priority ceiling)等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问,则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时,只有其优先级高于当前系统冲顶值,或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源,否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。
               已经证明,PCP协议的执行规则能防止死锁,但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞(Priority ceiling blocking)。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞,而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞(avoidance blocking),意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此,在PCP协议下,每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后,能静态分析和确定任务之间的资源竞争,计算出任务可能经历的最大阻塞时间,从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下,高优先级任务被阻塞时会放弃处理器,因此,访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。
 
       信号量
        信号量是1965年由著名的荷兰计算机科学家Dijkstra提出的,其基本思路是使用一种新的变量类型,即信号量来记录当前可用资源的数量。
        在信号量的具体实现上,有两种不同的方式。
        (1)方式一:要求信号量的取值必须大于或等于0。如果信号量的值等于0,表示当前已没有可用的空闲资源;如果信号量的值大于0,则该值就代表了当前可用的空闲资源数量;
        (2)方式二:信号量的取值可正可负。如果是正数或0,其含义与方式一是相同的;如果是负数,则它的绝对值就代表正在等待进入临界区的任务个数。
        信号量是由操作系统来维护的,任务不能直接去修改它的值,只能通过初始化和两个标准原语(即P、V原语)来对它进行访问。在初始化时,可以指定一个非负整数,即空闲资源的总数。所谓的原语,通常由若干条语句组成,用来实现某个特定的操作,并通过一段不可分割或不可中断的程序来实现其功能。原语是操作系统内核的一个组成部分,必须在内核态下执行。原语的不可中断性是通过在其执行过程中关闭中断来实现的。
        P、V原语作为操作系统内核代码的一部分,是一种不可分割的原子操作。它们在运行时,不会被时钟中断所打断。另外,在P、V原语中包含有任务的阻塞和唤醒机制,因此,当任务在等待进入临界区的时候,会被阻塞起来,而不会去浪费CPU时间。
        P原语中的字母P,是荷兰语单词测试的首字母。它的主要功能是申请一个空闲的资源,把信号量的值减1。如果成功的话,就退出原语;如果失败的话,这个任务就会被阻塞起来。V原语当中的字母V,是荷兰语单词增加的首字母。它的主要功能是释放一个被占用的资源,把信号量的值加1,如果发现有被阻塞的任务,就从中选择一个把它唤醒。
        采用信号量来实现任务之间的互斥,优点有两个:一是可以设置信号量的计数值,从而允许多个任务同时进入临界区;二是当一个任务暂时无法进入临界区时,它会被阻塞起来,从而让出CPU给其他的任务。
        大多数嵌入式操作系统都提供了信号量的机制,用户可以通过函数调用的方式去使用。
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第26题    在手机中做本题