作業系統3——程式的描述與控制

作業系統3——程式的描述與控制

——2018.12.10

零、目標

• 程式的定義和特徵
• 程式的基本狀態及轉換
• 程式控制塊
• 核心、原語
• 臨界資源、臨界區
• 同步機制應遵循的規則
• 記錄型訊號量、利用記錄型訊號量解決生產者

一、程式的描述

1. 程式的概念

1. 程式的定義：是程式實體的執行過程，是系統進行資源分配和排程的一個獨立單位。
2. 程式的特徵：動態性、併發性、獨立性、非同步性
3. PCB 描述和控制程式執行，系統為每個程式定義的一個資料結構

• 程式的程式碼和資料、CPU暫存器的數值、堆和棧
• 系統資源
• 地址空間
• 開啟的檔案

2.程式的狀態

1. 就緒（Ready）狀態

• 可執行，已獲得除CUP外的所需資源，等待分配CPU

2. 執行（Running）狀態

• 佔用CPU執行，處於此狀態的程式數目=CPU的數目

3. 阻塞（Blocked）狀態

• 等待某種條件（如I/O）操作或程式同步，在滿足條件前無法執行

3.程式的管理

1. 引起程式建立的原因：

• 使用者登入：為終端使用者建立程式
• 作業排程：選中的作業建立程式
• 提供服務：為使用者提供的服務程式
• 應用請求：應用程式自己建立的程式

2. 原語：由若干條指令構成，用於完成一定功能的一個過程
3. 原子操作：一個操作中的所有動作，要麼全做，要麼全不做，是一個不可分割的操作。
4. 程式控制塊的組織方式

• 連結方式：把具有同一狀態的PCB，用其中的連結字連結成一個佇列
• 索引方式：系統根據所有程式的狀態建立幾張索引表

二、執行緒的描述

1.執行緒的概念

1. 執行緒的定義：

• 將程式的兩個屬性分開，作為排程和分派的基本單位，不同時作為資源的擁有者，就形成了執行緒的概念
• 執行緒：有時稱輕量級程式，程式中的一個執行實體，是一個CPU排程單位，資源的擁有者還是程式或稱任務
• 一個被排程和分派的基本單位並可獨立執行的實體

2. 執行緒的分類

• 核心支援執行緒：依賴核心進行控制和管理
• 使用者級執行緒：在使用者級建立、撤銷和切換

3. 在引入執行緒的OS系統中，則把執行緒作為排程和分派的基本單位，而把程式作為資源的擁有基本單位。
4. 在同一程式中的執行緒切換不會引起程式切換
5. 在不同一程式中的執行緒切換會引起程式切換

三、程式同步

1.相關的概念

1. 互斥——間接相互制約關係

• 同處於一個系統中的程式必然共享某種資源，如CPU、I/O裝置等，間接相互制約即源於共享資源

2. 同步——直接相互制約關係

• 源於程式程式之間的合作關係，如程式A向B提供資料，當輸入緩衝空時，B不能得到資料而阻塞

3. 臨界資源

• 一次僅允許一個程式使用的資源
• 系統中的許多硬體，如印表機，諸程式之間只能用互斥的方式進行訪問

4. 臨界區

• 在每個程式中訪問臨界資源的那段程式碼稱為臨界區

2.同步機制應遵循的原則

1. 空閒讓進

• 當無程式處於臨界區時，應允許一個程式進入臨界區

2. 忙則等待

• 當已有程式進入臨界區時，其他程式必須等待

3. 有限等待

• 應保證在有限時間內進入自己的臨界區，防止“死等”

4. 讓權等待

• 應立即釋放處理機，防止“忙等”

3.互斥與同步的解決方法：

1. 軟體方法

• 由程式通過執行相應的程式指令，實現與其他程式的互斥與同步

2. 硬體方法

• 通過遮蔽中斷（單CPU）或是採用專門的機器指令控制互斥與同步

3. 訊號量方法

• 經典訊號量——表示資源的物理實體
• 記錄型訊號量——更有效地利用資源，解決忙等的問題

typedef struct{
	int value;
	struct process_control_block *list;
}semaphore;
wait(semaphore *S){
	S->value--;//請求一個該類資源
	if(S->value<0) block(S->list);//該類資源已分配完畢，呼叫block原語進行自我阻塞並放棄處理機、插入到訊號量列表S->list中
}
signal(semaphore *S){
	S->value++;//釋放一個資源
	if(S->value<=0) wakeup(S->list);//有程式被阻塞
}

• AND型訊號量機制——防止系統出現不安全性

4. 管程方法

• 管程：⼀個管程定義了⼀個資料結構和能為併發程式所執⾏的⼀組操作，這組操作能同步程式和改變管程中的資料

四、經典程式的同步問題

1 .利用記錄型訊號量解決生產者-消費者問題

問題描述:
有一群生產者程式在生產產品，並將這些產品提供給消費者程式去消費。為使生產者程式與消費者程式能併發執行，在兩者之間設定了- -個具有n個緩衝區的緩衝池,生產者程式將它所生產的產品放入一個緩衝區中;消費者程式可從一個緩衝區中取走產品去消費。

int in = 0, out = 0;//in: 輸入指標, out: 輸出指標;
item buffer[n];//n個緩衝區組成的陣列;
semaphore mutex = 1, full = 0, empty = n;
//mutex: 互斥訊號量, 生產者程式和消費者程式都只能互斥訪問緩衝區;
//full: 資源訊號量, 滿緩衝區的數量;
//empty: 資源訊號量, 空緩衝區的數量;//訊號量不允許直接參與運算, 故都要定義;

//生產者程式;
void producer() {
  do {
      producer an item nextp;//生產者生產一個產品
      ...
      wait(empty);//申請一個空緩衝區;
      wait(mutex);//申請臨界資源;
      buffer[in] = nextp;//將產品新增到緩衝區;
      in = (in + 1) % n;//類似於迴圈佇列;
      signal(mutex);//釋放臨界資源;
      signal(full);//釋放一個滿緩衝區;
  } while (TRUE);
}

//消費者程式;
void consumer() {
  do {
      wait(full);//申請一個滿緩衝區;
      wait(mutex);//申請臨界資源;
      nextc = buffer[out];//將產品從緩衝區取出;
      out = (out + 1) % n;//類似於迴圈佇列;
      signal(mutex);//釋放臨界資源;
      signal(empty);//釋放一個空緩衝區;
      consumer the item in nextc//消費者將一個產品nextc消費; 
 } while (TRUE);
}
void main(){
	cobegin
		producer(); consumer();
	coend
}