第七讲并发执行问题

第七讲并发执行问题 • 目的与要求：了解可并行程序的高级语言表示与操作系统支持；了解并发执行引起的同步与互斥问题。 • 重点与难点：可并行程序的同步与互斥 • 作业：1, 3, 例举两个现实生活中需要同步与互斥的例子。

第四章 进程同步与通讯、进程死锁两个层次的并发需求 • 程序设计要利用操作系统对并发的支持（进程或线程），安排可并行事务并发执行。 • 操作系统核心程序也要尽可能地并发运行。

4.1 并发编程 • 计算任务存在可并行成分 S1 S2 S3 S1和S2两个子任务可并发执行

并发编程三种方法： • 程序员写顺序程序，用自动识别工具识别可并行成分，组织使用操作系统的进程或线程实现并发。 • 由程序员识别可并行成分，用并发程序设计语言设计并发程序，由编译系统安排使用进程或线程； • 在传统语言基础上，利用操作系统的进程或线程系统调用设计并发程序。

并发程序设计语言 --- 并发语句 • 是在传统高级语言基础上增加描述并发的语句。 • 语法形式 Parbegin S1；S2； …Sn； Parend； Si（i=1，2，…，n）是单个语句 Parbegin和Parend之间的语句可以并发执行

并发语句示例 • 右面计算任务可以描述为： Parbegin S1； S2； Parend； S3 S1 S2 S3

并发语句描述手段的优缺点 • 并发语句Parbegin/Parend的结构化特征非常好 • 但存在着描述能力不强的缺点，即存在着用Parbegin/Parend语句无法描述的并发优先关系（如下图）。

S1 S2 S3 S4 S6 S5 S7 若能辅以其它手段（如本章后续将介绍的信号量机置），并发语句可以大大增加其描述能力。

并发执行实现 • 实现并发执行，需要通过操作系统支持的进程或线程机制。 • 操作系统提供进程（线程）创建，结束和同步的系统调用，可直接提供给用户编写并行程序；或由并行语言编译器将并发语言的语句转化为对操作系统的系统调用。

与进程相关的系统调用 • 它提供了如下系统调用： • fork（）：创建一个新进程。该系统调用执行完成后，系统已创建了一个子进程，该子进程逻辑复制（共享）了父进程的程序，复制了父进程的数据段和栈段。也就是说不管是父进程还是子进程，在占有处理机后，都从系统调用的返回点开始运行，父进程系统调用的返回值是子进程的进程标识pid；子进程的返回值是0，子进程从trap指令后一条指令开始运行。

子进程用户态程序从此开始运行，该点得到的返回值是0子进程用户态程序从此开始运行，该点得到的返回值是0 －－ fork()： sys_fork(): －－ fork（） trap －－－ return －用户态核心态

exit（status）：进程结束。该系统调用发出后，操作系统将从系统中删除调用exit的进程。exit（status）：进程结束。该系统调用发出后，操作系统将从系统中删除调用exit的进程。 • wait（&status）：等待子进程结束。当有多个子进程时，任一个子进程结束即将控制返回调用者，并将子进程调用exit（status）时的status值送到&status指针所指单元中。在控制返回调用者时，同时将所等到的子进程pid作为wait（）系统调用函数的返回值。 • waitpid（pid，…）：等待pid所指定的进程结束。

多进程实现前述的计算任务并发 pid =fork（）； if (pid ==0 )then { S2； exit（0）； } else S1； wait（）； S3；

4.2 进程的互斥与同步 • 同步关系（亦称直接制约关系）指完成同一任务的伙伴进程间，因需要在某些位置上协调它们的工作而等待、传递信息所产生的制约关系。 • 互斥关系（亦称间接制约关系）即进程间因相互竞争使用独占型资源（互斥资源）所产生的制约关系。

4.2.1 同步与临界段问题 例1：同步问题。如果进程P1执行S1，S3 进程P2执行S2，则P1在执行S3之前必须等待P2执行完S2。 S1 S2 S3

例2： P1、P2两进程使用同一打印机。如果不互斥使用会交叉输出 P1 P2 Entry code Entry code 使用打印机使用打印机 exit code exit code

互斥执行 例3: 存取钱对共享变量balance的互斥访问 Parbegin A(amount){ R1=balance; R2=amount; R1=R1+R2; balance=R1; }; B(amount) { R1=balance; R2=amount; R1=R1-R2; balance=R1; }; Parend;

First First NEXT Nil NEXT NEXT INST INST INST INST 例4：有限缓冲区的生产者/消费者问题（生产者和消费者共享一个产品缓冲链） P1 P2 … Pm C1 C2 …Cn 共享N个缓冲区

数据结构 typedef struct{ …… } item； // 消息类型 typedef struct{ struct buffer *next; struct item inst； } buffer； // 缓冲类型 struct buffer *P，*C，*First; struct item nextp，nextc; First= nil;

Parbegin Producer(){ do{ … produce an item in nextp; ... new(P); #获得一空缓冲区 P.inst=nextp; P.next=First; First=P; }while(1); };

Consumer(){ do{ while (first==nil) ; #空循环等 C=First; first=first.next; nextc=C.inst; dispose(C); #释放缓冲区 … consume the item in nextc; … }while(1); }; Parend;

T0：consumer C= First T1：producer P.next= First T2：producer First= P T3：consumer First= First.next 则会发生生产者加入队列的缓冲区丢失临界资源（critical resource）：一次仅允许一个进程使用的资源临界段（critical section) ：各进程必须互斥执行的程序段。

第七讲 并发执行问题