【菜科解读】

所有学嵌入式Linux系统的看过来了，以下内容是每一位想学习Linux嵌入式系统想要了解的内容，真的很想要分享给大家！

本文分享的内容主要如下几个方面：

3.1 并发的原理

3.1.1 一个简单的例子

3.1.2 竞争条件

3.1.3 操作系统关注的问题

3.1.4 进程的交互

3.1.5 互斥的要求

3.2 信号量原理

3.2.1 互斥

3.3 生产者／消费者问题

3.4 读者-写者问题

3.3.1 读进程具有优先权

3.3.2 写进程具有优先权

本章首先介绍并发的概念和多个并发进程的执行。

我们发现，支持并发进程的基本需求是加强互斥的能力。

也就是说，当一个进程被授予互斥的能力时，那么在其活动期间，它具有排斥所有其他进程的能。

本章通过两个经典的并发问题来说明并发的概念，并对本书中使用的各种方法进行比较。

在本章开始

将介绍一个可运行的例子——生产者/消费者问题，读者-写者问题。

3.1 并发的原理

在单处理器多道程序设计系统中，进程被交替执行，表现出一种并发执行的外部特征。

即使不能实现真正的并行处理，并且即使在进程间来回切换需要一定的开销，交替执行在处理效率和程序构造上还是带来了重要的好处。

在单处理器的情况下，问题源于多道程序设计系统的一个基本特性：进程的相对执行速度不可预测，

它取决于其他进程的活动、操作系统处理中断的方式以及操作系统的调度策略。

这就带来了下列困难：

 全局资源的共享充满了危险。

例如，如果两个进程都使用同一个全局变量，并且都对该变量执行读

写操作，那么不同的读写执行顺序是非常关键的。

关于这个问题的例子将在下一小节中给出。

 操作系统很难对分配资源进行最优化的管理。

例如，进程 A 可能请求使用一个特定的 I/O 通道，并

获得控制权，但它在使用这个通道前被挂起了，操作系统仍然锁定这个通道，以防止其他进程使用，

这是难以令人满意的。

此外，这还会导致死锁。

 定位程序设计错误是非常困难的。

这是因为结果通常是不确定的和不可再现的。

上述所有困难在多处理器系统中都有具体的表现，因为在这样的系统中进程执行的相对速度也是不可

预测的。

一个多处理器系统还必须处理多个进程同时执行所引发的问题，从根本上来说，这些问题和单处

理器系统中的是相同的。

这些问题随着讨论的深入将逐渐明了。

3.1.1 一个简单的例子

考虑下面的过程：

为理解如何解决与执行速度无关的问题，我们首先需要考虑进程间的交互方式。

3.1.4 进程的交互．

1 、进程中的资源争用

当并发进程竞争使用同一个资源时，它们互相之间会发生冲突。

我们可以把这种情况简单描述如下：

两个或更多的进程在它们的执行过程中需要访问一个资源，每个进程并不知道其他进程的存在，并且每个进程也不受其他进程的执行的影响。

每个进程都不影响它所使用的资源的状态，这类资源包括 I/O 设备、存储器、处理器时间和时钟。

竞争进程间没有任何信息交换，但是一个进程的执行可能会影响到竞争进程的行为。

特别是如果两个进程都期望访问同一个资源，操作系统把这个资源分配给一个进程，另一个就必须等待。

因此，被拒绝访

问的进程速度就会变慢。

一种极端情况是，被阻塞的进程永远不能访问这个资源，因此一直不能成功地终止。

竞争进程面临三个控制问题。

首先是互斥的要求。

假设两个或更多的进程需要访问一个不可共享的资

源，如打印机。

在执行过程中，每个进程都给该 I/O 设备发命令，接收状态信息，发送数据和接收数据。

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我们把这类资源称为临界资源，使用临界资源的那一部分代码称为程序的临界区。

一次只允许有一个程序在临界区中，这一点是非常重要的。

由于不清楚详细要求，我们不能仅仅依靠操作系统来理解和增强这个限制。

例如在打印机的例子中，我们希望任何一个进程在打印整个文件时都拥有打印机的控制权，否则在打印结果中就会穿插着来自竞争资源的打印内容。

实施互斥产生了两个额外的控制问题。

一个是 死锁。

例如，考虑两个进程 Pl 和 P2，以及两个资源 Rl

和 R2，假设每个进程为执行部分功能都需要访问这两个资源，那么就有可能出现下列情况：操作系统把 Rl分配给 P2，把 R2 分配给 Pl，每个进程都在等待另一个资源，并且在获得其他资源并完成需要这两个资源的功能之前，谁都不会释放自己已经拥有的资源。

这样，这两个进程就发生了死锁。

另一个控制问题是 饥饿。

假设有三个进程(P1、P2 和 P3)，每个进程都周期性地访问资源 R。

考虑这种情况，Pl 拥有资源，P2 和 P3 都被延迟，等待这个资源。

当 Pl 退出临界区时，P2 和 P3 都允许访问 R。

假设操作系统把访问权授予 P3，并且在 P3 完成临界区之前 PI 又需要访问该临界区，如果在 P3 结束后操作系统又把访问权授予 Pl，并且接下来把访问权轮流授予 Pl 和 P3，那么即使没有死锁，P2 也可能无限期地被拒绝访问资源。

由于操作系统负责分配资源，竞争的控制不可避免地涉及到操作系统。

此外，进程自身需要能够以某

种方式表达互斥的要求，如在使用资源前锁定资源，但任何一种解决方案都涉及到操作系统的某些支持，如提供锁机制。

图 3．2 用抽象术语给出了互斥机制。

假设有 n 个进程并发执行，每个进程包括(1)在某些资源 Ra 上操作的临界区，(2)不涉及访问资源 Ra 的额外代码。

因为所有的进程都需要访问同一资源 Ra，因此保证在同一时刻只有一个进程在临界区是很重要的。

为实现互斥，需要两个函数：entercritical 和exitcritical。

每个函数的参数都是竞争使用的资源名，如果另外一个进程在临界区中，那么任何试图进入关于同一个资源的临界区的讲程都必须等待。

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本章总结

现代操作系统的中心方案是多道程序设计、多处理和分布式处理，这些方案的基础以及操作系统设计

技术的基础是并发。

当多个进程并发执行时，不论是在多处理器系统的情况下，还是在单处理器多道程序系统中，都会产生解决冲突和合作的问题。

并发进程可以按多种方式进行交互。

互相之间不知道对方的进程可能需要竞争使用资源，如处理器时

间或对 I／O 设备的访问。

进程间由于共享访问一个公共对象，如主存中的一块空间或一个文件，可能间接知道对方，这类交互中产生的重要问题是互斥和死锁。

互斥是指，对一组并发进程，一次只有一个进程能够访问一个给定的资源或执行一个给定的功能。

互

斥技术可以用于解决诸如资源争用之类的冲突，还可以用于进程间的同步，使得它们可以合作。

后一种情况的一个例子是生产者／消费者模型，一个进程往缓冲区中放数据，另一个或更多的进程从缓冲区中取数据。

支持互斥的第二种方法涉及到使用专门的机器指令，这种方法减少了开销；但由于使用了忙等待，因

而仍然是低效的。

支持互斥的另一种方法是在操作系统中提供功能，其中最常见的两种技术是信号量和消息机制。

信号

量用于在进程间发信号，并可以很容易地用于实施一个互斥规定。

消息对实施互斥是很有用的，它还为进程间的通信提供了一种有效的方法。

死锁是指一组争用系统资源或互相通信的进程被阻塞的现象。

阻塞是永久的，除非操作系统采取某些

非常的行动，如杀死一个或多个进程，或者强迫一个或多个进程沿原路返回。

死锁可能涉及到可重用资源或可消费资源。

可重用资源是指不会因为使用而被耗尽或毁灭的资源,如 I/O 通道或存储器区域。

可消费资源是指当被一个进程获得时就毁灭了的资源，这类资源的例子有消息和 I/O 缓冲区中的信息。

处理死锁通常有三种方法：预防、检测和避免。

死锁预防通过确保死锁的一个必要条件不会满足，保

证不会发生死锁。

本章没有对检测和避免进行深入讨论。

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