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全書共分7章, 第1章結(jié)束操作系統(tǒng)的概念、功能、類型及其發(fā)展; 第2章至第7章介紹操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程管理、進(jìn)程同步與互斥、調(diào)度與死鎖、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理和文件管理等。作者結(jié)合多年的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn), 編寫了本教材, 其最大特色是各知識(shí)點(diǎn)簡(jiǎn)潔突出。

　　前言

　　Foreword計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件與軟件緊密結(jié)合的統(tǒng)一整體。操作系統(tǒng)是硬件功能的首次擴(kuò)充，也是其他系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件建立的基礎(chǔ)和支撐平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中處于承上啟下的關(guān)鍵地位。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心軟件，它管理和控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使之高效、協(xié)調(diào)地運(yùn)轉(zhuǎn)，為用戶提供方便的服務(wù)。操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)的功能和性能起著至關(guān)重要的作用。學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)不僅要掌握其基本概念和原理，更重要的是要了解在操作系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)這些原理，并學(xué)以致用，靈活運(yùn)用到實(shí)際工作中。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的必修課程。掌握操作系統(tǒng)的基本概念、理解其工作原理，對(duì)于深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)乃至信息類專業(yè)知識(shí)、提升軟件開發(fā)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力都有著非常重要的作用。

　　本教材以《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》為指導(dǎo)，針對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生應(yīng)掌握的知識(shí)結(jié)構(gòu)，參照教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)關(guān)于操作系統(tǒng)課程的教學(xué)要求，參考國(guó)內(nèi)外比較成熟的教材，借鑒新理論和新技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)普通高等院校學(xué)生的實(shí)際情況，根據(jù)作者多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)編寫而成。教材以介紹操作系統(tǒng)的基本概念為主，闡述操作系統(tǒng)的基本原理、基本結(jié)構(gòu)，剖析操作系統(tǒng)的工作過程、實(shí)現(xiàn)技術(shù)和運(yùn)行機(jī)制，希望通過這種方式，使學(xué)生更系統(tǒng)、直觀、深刻地理解操作系統(tǒng)，并依據(jù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)、開發(fā)自己的操作系統(tǒng)或應(yīng)用系統(tǒng)。本教材力求結(jié)構(gòu)清晰、概念清楚,內(nèi)容由淺入深、易教易學(xué)，立足于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

　　本教材共分7章。第1章緒論，概括介紹操作系統(tǒng)的基本概念、主要功能、發(fā)展過程、基本特征；第2章進(jìn)程管理，首先介紹CPU管理的功能，然后介紹進(jìn)程的概念，進(jìn)程的特征、狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換，進(jìn)程的描述與管理，線程的概念；第3章進(jìn)程同步，首先介紹并發(fā)程序的有關(guān)技術(shù)，講解進(jìn)程互斥、同步機(jī)制，信號(hào)量和管程機(jī)制，隨后介紹進(jìn)程通信；第4章調(diào)度與死鎖，介紹進(jìn)程調(diào)度算法和死鎖的基本概念、必要條件和處理方法；第5章存儲(chǔ)器管理，講述存儲(chǔ)器管理的基本概念、各種分配管理方法和虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)；第6章設(shè)備管理，講解設(shè)備控制、設(shè)備分配和處理等問題；第7章文件管理，介紹文件結(jié)構(gòu)、文件目錄和存儲(chǔ)空間管理等。每章均配備了適當(dāng)?shù)牧?xí)題，可幫助學(xué)生消化并掌握操作系統(tǒng)的知識(shí)。

　　本教材編寫分工如下:第1～5章由段正杰編寫，第6、7章由劉華文編寫。最后由劉華文負(fù)責(zé)統(tǒng)稿、審閱全書。本教材在編寫過程中得到了相關(guān)老師的大力支持和幫助，在此向他們表示衷心的感謝！本教材內(nèi)容參考和引用了國(guó)內(nèi)外相關(guān)著作、教材，以及部分互聯(lián)網(wǎng)上的技術(shù)資料，在此，一并表示深深的感謝！

　　由于編者水平有限，錯(cuò)誤與不妥之處在所難免，希望廣大讀者批評(píng)指正，以便我們改進(jìn)、完善本教材，謝謝！

　　編者◆計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理

　　第3章chapter3

　　進(jìn)程同步1.1微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介操作系統(tǒng)引入進(jìn)程后,雖然改善了資源的利用率,提高了系統(tǒng)的吞吐量,但是系統(tǒng)中的多個(gè)進(jìn)程由于競(jìng)爭(zhēng)使用系統(tǒng)資源,導(dǎo)致它們之間存在一定的相互依賴、相互制約的關(guān)系。為了有效地協(xié)調(diào)各個(gè)并發(fā)進(jìn)程間的關(guān)系,系統(tǒng)必須采用同步機(jī)制,確保進(jìn)程之間能正確地競(jìng)爭(zhēng)資源,并相互協(xié)調(diào)、相互合作。

　　3.1基本概念[4/5]3.1.1進(jìn)程的制約關(guān)系多道程序環(huán)境下,系統(tǒng)中存在著多個(gè)并發(fā)進(jìn)程。這些并發(fā)進(jìn)程之間可能相互獨(dú)立,即一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行不影響其他進(jìn)程的執(zhí)行,此時(shí)系統(tǒng)無須對(duì)這些并發(fā)進(jìn)程進(jìn)行特別控制;并發(fā)進(jìn)程之間也可能彼此相關(guān)、相互影響,即一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行可能影響其他進(jìn)程的執(zhí)行結(jié)果,此時(shí),系統(tǒng)就需要合理地控制和協(xié)調(diào)這些進(jìn)程的執(zhí)行。根據(jù)共享資源性質(zhì)的不同,并發(fā)進(jìn)程之間的關(guān)系可以分為間接制約關(guān)系和直接制約關(guān)系。

　�。�1）間接制約關(guān)系:也稱“競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系”,指系統(tǒng)中多個(gè)進(jìn)程訪問相同的資源,其中一個(gè)進(jìn)程訪問資源時(shí),其他需訪問此資源的進(jìn)程必須等待,只有當(dāng)該進(jìn)程釋放該資源后,其他進(jìn)程才能訪問。進(jìn)程的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系可通過進(jìn)程互斥方式來解決。

　�。�2）直接制約關(guān)系:也稱“合作關(guān)系”,指系統(tǒng)中多個(gè)進(jìn)程需要相互合作才能完成同一任務(wù)。例如,假設(shè)輸入進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程共同使用一個(gè)單緩沖區(qū),那么當(dāng)輸入進(jìn)程將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)后,計(jì)算進(jìn)程才能開始計(jì)算;當(dāng)計(jì)算進(jìn)程將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)取走后,輸入進(jìn)程才可以再次向緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)。進(jìn)程的合作關(guān)系可通過進(jìn)程同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

　　3.1.2進(jìn)程互斥與同步[2]1.臨界資源及臨界區(qū)為了便于控制和管理競(jìng)爭(zhēng)資源,系統(tǒng)引入了臨界資源和臨界區(qū)的概念:

　�。�1）臨界資源:指一次只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的資源。臨界資源在任何時(shí)刻都不允許兩個(gè)及以上并發(fā)進(jìn)程同時(shí)訪問。系統(tǒng)中有許多獨(dú)占性硬件資源（如卡片輸入機(jī)和打印機(jī)等）和軟件資源（如變量、表格、隊(duì)列、棧和文件等）均屬于臨界資源。

　�。�2）臨界區(qū):指進(jìn)程訪問臨界資源的那段程序代碼。

　　系統(tǒng)若能保證進(jìn)程互斥地進(jìn)入各自的臨界區(qū),便可實(shí)現(xiàn)臨界資源的互斥訪問。

　　2.進(jìn)程互斥

　　進(jìn)程互斥是指當(dāng)一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)使用臨界資源時(shí),其他進(jìn)程必須等待。當(dāng)占用臨界資源的進(jìn)程退出臨界區(qū)后,另外一個(gè)進(jìn)程才被允許使用臨界資源。

　　◆計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理第◆3章進(jìn)程同步若要實(shí)現(xiàn)各進(jìn)程對(duì)臨界資源的互斥訪問,則需要保證各進(jìn)程互斥地進(jìn)入自己的臨界區(qū)。進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)之前,應(yīng)先對(duì)臨界資源進(jìn)行檢查,確認(rèn)該資源是否正在被訪問。若臨界資源正被其他進(jìn)程訪問,則該進(jìn)程不能進(jìn)入臨界區(qū);若臨界資源空閑,該進(jìn)程便可以進(jìn)入臨界區(qū)對(duì)臨界資源進(jìn)行訪問,并將該資源的標(biāo)志設(shè)置為正在被訪問。因此,進(jìn)程訪問臨界資源前,應(yīng)增加一段用于進(jìn)行上述檢查的代碼,這段代碼稱為進(jìn)入臨界區(qū);臨界資源訪問結(jié)束后,也要增加一段用于將臨界資源標(biāo)志恢復(fù)為未被訪問的代碼,這段代碼稱為退出臨界區(qū)。臨界區(qū)的框架如下:do{

　　進(jìn)入臨界區(qū)

　　訪問臨界資源

　　退出臨界區(qū)

　　其余代碼

　　}while(1);3.進(jìn)程同步

　　進(jìn)程同步是指多個(gè)進(jìn)程為了合作完成同一個(gè)任務(wù),在執(zhí)行次序上相互協(xié)調(diào)、相互合作,在一些關(guān)鍵點(diǎn)上還需要相互等待或相互通信。

　　進(jìn)程同步的例子在現(xiàn)實(shí)生活中隨處可見,如司機(jī)與售票員的關(guān)系。公共汽車的司機(jī)負(fù)責(zé)開車和到站停車,售票員負(fù)責(zé)售票和開關(guān)車門,他們之間是相互合作、相互配合的。例如車門關(guān)閉后才能啟動(dòng),到站停車后才能打開車門,即“啟動(dòng)汽車”在“關(guān)閉車門”之后,而“打開車門”在“到站停車”之后。司機(jī)和售票員之間的活動(dòng)關(guān)系如圖31所示。

　　圖31司機(jī)與售票員的關(guān)系

　　若進(jìn)程P1和P2分別表示司機(jī)和售票員,當(dāng)它們并發(fā)向前推進(jìn)時(shí),則需滿足以下要求:

　�。�1）若P1推進(jìn)到①,但P2未到達(dá)②時(shí),則P1應(yīng)等待,直到P2到達(dá)②為止。

　�。�2）若P2推進(jìn)到④,但P1未到達(dá)③時(shí),則P2應(yīng)等待,直到P1到達(dá)③為止。

　�。�3）若P1在①處等待,則當(dāng)P2到達(dá)②處時(shí),應(yīng)通知（喚醒）P1。

　�。�4）若P2在④處等待,則當(dāng)P1到達(dá)③處時(shí),應(yīng)通知（喚醒）P2。

　　由此可知,為了協(xié)調(diào)進(jìn)程推進(jìn)次序,相互合作的并發(fā)進(jìn)程有時(shí)需要互相等待與互相喚醒。

　　4.同步與互斥的關(guān)系

　　同步與互斥是并發(fā)進(jìn)程之間兩種重要關(guān)系,其中互斥反映了進(jìn)程間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,而同步則反映了進(jìn)程間的合作關(guān)系。

　　進(jìn)程互斥是進(jìn)程同步的一種特殊情況。例如,某個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)時(shí),其他進(jìn)程不允許進(jìn)入臨界區(qū)。當(dāng)進(jìn)程完成任務(wù)離開臨界區(qū),并歸還臨界資源后,喚醒其等待進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程。這說明互斥的進(jìn)程也存在特殊的合作關(guān)系。因此,互斥是一種特殊的同步關(guān)系。

　　互斥所涉及的并發(fā)進(jìn)程之間只是競(jìng)爭(zhēng)獲得共享資源的使用權(quán),這種競(jìng)爭(zhēng)沒有固定的、必然的聯(lián)系,誰競(jìng)爭(zhēng)到資源,誰就擁有資源的使用權(quán),直到不需要時(shí)才歸還;而同步所涉及的并發(fā)進(jìn)程之間有一種必然的聯(lián)系,在進(jìn)程同步過程中,即使沒有進(jìn)程使用共享資源,尚未得到同步消息的進(jìn)程也不能去使用共享資源。

　　5.臨界區(qū)的管理準(zhǔn)則

　　為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步與互斥,可以利用軟件方法或在系統(tǒng)中設(shè)置專門的同步機(jī)制,協(xié)調(diào)各個(gè)并發(fā)進(jìn)程。同步機(jī)制必須遵循以下4條準(zhǔn)則:

　�。�1）閑則讓進(jìn):當(dāng)臨界資源處于空閑狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)應(yīng)允許一個(gè)請(qǐng)求訪問該臨界資源的進(jìn)程進(jìn)入自己的臨界區(qū),訪問該臨界資源。

　�。�2）忙則等待:當(dāng)臨界資源正在被訪問時(shí),其他試圖進(jìn)入臨界區(qū)訪問該臨界資源的進(jìn)程必須等待,以保證臨界資源的互斥訪問。

　�。�3）有限等待:對(duì)于等待訪問臨界資源的進(jìn)程,系統(tǒng)應(yīng)保證這些等待進(jìn)程在有限時(shí)間內(nèi)能進(jìn)入臨界區(qū),訪問臨界資源,以避免陷入“死等”狀態(tài)。

　�。�4）讓權(quán)等待:當(dāng)進(jìn)程不能進(jìn)入臨界區(qū)訪問臨界資源時(shí),應(yīng)立即釋放CPU,以免該進(jìn)程陷入“忙等”（即等待時(shí)占有CPU）狀態(tài)。

　　3.2同步機(jī)制

　　進(jìn)程同步機(jī)制的基本目標(biāo)是在功能上保證進(jìn)程能夠正確地互斥執(zhí)行各自的臨界區(qū),其具體的實(shí)現(xiàn)方法包括軟件方法、硬件方法、信號(hào)量方法和管程這四大類。

　　3.2.1軟件方法

　　軟件方法是指通過編寫程序代碼方式進(jìn)入臨界區(qū),以訪問臨界資源。此方法既適用于單CPU環(huán)境,也適用于多CPU環(huán)境,只需這些CPU共享一個(gè)存儲(chǔ)區(qū),且各個(gè)進(jìn)程對(duì)該存儲(chǔ)區(qū)串行訪問即可。

　　下面通過程序偽代碼方式說明實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間互斥訪問臨界資源的軟件方法。

　　1.算法1

　　該算法的基本思想:若一個(gè)進(jìn)程申請(qǐng)使用臨界資源,應(yīng)先查看該資源當(dāng)前是否被一個(gè)進(jìn)程訪問。若資源正在被訪問,則該進(jìn)程只能等待,否則進(jìn)入自己的臨界區(qū)執(zhí)行。下面是進(jìn)程P1和P2的程序偽代碼,其中inside1和inside2為布爾型變量,且初值均false,表示P1和P2均不在其臨界區(qū)內(nèi)。booleaninside1,inside2;

　　inside1=false;//P1不在其臨界區(qū)內(nèi)

　　inside2=false;//P2不在其臨界區(qū)內(nèi)

　　cobegin

　　processP1(){

　　while(inside2);

　　inside1=ture;

　　訪問臨界資源;

　　inside1=false;

　　}

　　processP2(){

　　while(inside1);

　　inside2=ture;

　　訪問臨界資源;

　　inside2=false;

　　}

　　coend該算法雖然實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程互斥管理的“閑則讓進(jìn)”準(zhǔn)則,保證了每次只允許一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū),但違背了“忙則等待”準(zhǔn)則。例如,假設(shè)P1和P2先后執(zhí)行“while（inside2）;”和“while（inside1）;”,發(fā)現(xiàn)對(duì)方均不在臨界區(qū)內(nèi),則它們執(zhí)行“inside1=true;”和“inside2=true;”,并進(jìn)入了各自臨界區(qū)內(nèi),同時(shí)訪問該臨界資源。

　　2.算法2

　　算法1違背了“忙則等待”準(zhǔn)則,沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界區(qū)的互斥訪問。算法2對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),即進(jìn)程若想進(jìn)入臨界區(qū),必須搶先將自己的標(biāo)志設(shè)置為true,以防止對(duì)方再進(jìn)入臨界區(qū)。

　　算法2的程序偽代碼如下:booleaninside1,inside2;

　　inside1=false;//P1不在其臨界區(qū)內(nèi)

　　inside2=false;//P2不在其臨界區(qū)內(nèi)

　　cobegin

　　processP1(){

　　inside1=ture;

　　while(inside2);

　　訪問臨界資源;

　　inside1=false;

　　}

　　processP2(){

　　inside2=ture;

　　while(inside1);

　　訪問臨界資源;

　　inside2=false;

　　}

　　coend算法2雖然解決了“忙則等待”問題,但存在著“有限等待”問題。例如,當(dāng)P1和P2都判斷對(duì)方不在臨界區(qū)時(shí),P1執(zhí)行“inside1=true;”,此時(shí)P2同樣也執(zhí)行“inside2=true;”,然后P1和P2分別執(zhí)行“while(inside2);”和“while(inside1);”時(shí),均因?yàn)闂l件不滿足,而無法往下執(zhí)行,導(dǎo)致P1和P2將陷入無限等待狀態(tài)。

　　3.Peterson算法

　　Peterson采用了原語形式,提出了一種表述簡(jiǎn)單的算法,很好地解決了臨界區(qū)互斥的問題,能滿足臨界區(qū)訪問的四個(gè)條件。Peterson算法的基本思想:當(dāng)一個(gè)進(jìn)程需要進(jìn)入臨界區(qū),需先調(diào)用enter_section()函數(shù),判斷是否可以安全進(jìn)入臨界區(qū),若不能則等待;當(dāng)從臨界區(qū)退出后,調(diào)用leave_section()函數(shù),允許其他進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)。Peterson算法流程如下:#defineFALSE0

　　#defineTRUE1

　　#defineN2//競(jìng)爭(zhēng)資源的進(jìn)程數(shù)目

　　intobserver;//輪到哪個(gè)進(jìn)程觀察要進(jìn)入臨界區(qū)的情況

　　intwanted_in(N);//各進(jìn)程希望進(jìn)入臨界區(qū)的標(biāo)志

　　enter_section(process)//進(jìn)入臨界區(qū)的互斥控制函數(shù)

　　intprocess;//進(jìn)程編號(hào),0或1

　　{

　　intother;//對(duì)方進(jìn)程號(hào)

　　other=1-process;

　　wanted_in\[process\]=TRUE;//本進(jìn)程要進(jìn)入臨界區(qū)

　　observer=process;//觀察進(jìn)入臨界區(qū)的情況,設(shè)置標(biāo)志位

　　while(observer==process&&wanted_in\[other\]);//等待,什么都不做

　　}

　　leaver_section(process)//退出臨界區(qū)函數(shù)

　　intprocess;

　　{

　　wanted_in\[process\]=FALSE;//離開了臨界區(qū)

　　}3.2.2硬件方法

　　軟件方法相對(duì)復(fù)雜且容易出錯(cuò),因而現(xiàn)在系統(tǒng)較少采用。目前常用的是通過硬件方法實(shí)現(xiàn)同步互斥操作。

　　1.開關(guān)中斷法

　　開關(guān)中斷法采用中斷方式,借助硬件中斷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)的管理。當(dāng)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)后,關(guān)閉系統(tǒng)中斷;離開臨界區(qū)時(shí),重新開啟系統(tǒng)中斷。由于進(jìn)程切換是由時(shí)鐘或其他中斷導(dǎo)致,因而當(dāng)中斷被屏蔽后,其他進(jìn)程無法獲得CPU調(diào)度,導(dǎo)致無法運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)了臨界區(qū)的互斥訪問。進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)后,只要不自行掛起,就會(huì)連續(xù)地執(zhí)行,直至退出臨界區(qū),并在執(zhí)行開中斷指令后,才可能重新調(diào)度,允許其他進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)。do{

　　開中斷

　　訪問臨界資源

　　關(guān)中斷

　　其余代碼

　　}while(1);開關(guān)中斷方法具有效率高、簡(jiǎn)單易行,且系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)忙等現(xiàn)象;但其缺點(diǎn)也較明顯,如只適用于單CPU系統(tǒng)和系統(tǒng)效率較低,進(jìn)而影響系統(tǒng)處理緊迫事件的能力。多CPU系統(tǒng)中,禁止中斷只會(huì)影響當(dāng)前CPU,而其他CPU上并行執(zhí)行的進(jìn)程仍然能不受阻礙地進(jìn)入臨界區(qū)。

　　2.測(cè)試與設(shè)置方法

　　測(cè)試和設(shè)置（TestandSet,TS）方法利用指令讀取內(nèi)存中某個(gè)變量的值后,重新給它賦一個(gè)新值。TS指令定義如下:intTS(inttarget){

　　inttemp;

　　temp=target;

　　target=1;

　　return(temp);

　　}TS指令首先讀取當(dāng)前變量的值,作為參數(shù)返回,同時(shí)將其值置為1。由于該指令是原子操作,因此,它在執(zhí)行期間不允許被打斷,即所有語句要么全執(zhí)行,要么都不執(zhí)行。

　　TS指令可用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥操作。具體地,設(shè)置一個(gè)共享變量（如lock）,置其初值為0,表示臨界區(qū)內(nèi)沒有進(jìn)程。每個(gè)進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)之前,先使用TS指令測(cè)試該共享變量。若其值為0,則進(jìn)入臨界區(qū),并將其值置為1;若其值為1,則表明其他進(jìn)程已進(jìn)入臨界區(qū),此時(shí)該進(jìn)程需等待。進(jìn)程離開臨界區(qū)時(shí),需將共享變量的值置為0。使用TS指令的互斥算法如下:while(1){

　　while(TS(lock));

　　訪問臨界資源;

　　lock=0;

　　}盡管上面算法可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥操作,但仍然存在“忙碌等待”,浪費(fèi)了CPU寶貴的資源,因而實(shí)際情況中較少使用。

　　3.swap指令

　　Swap指令也稱交換指令,其功能是交換兩個(gè)變量的值,具體實(shí)現(xiàn)如下:voidswap(inta,b){

　　inttemp;

　　temp=a;a=b;b=temp;

　　}Swap指令是原子操作,執(zhí)行期間是不可分割的。使用swap指令實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥時(shí),需對(duì)臨界區(qū)（可表示為一組共享變量）定義一個(gè)全局變量（如lock）,并對(duì)每個(gè)進(jìn)程定義一個(gè)局部變量（如key）。利用swap指令實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程互斥算法具體實(shí)現(xiàn)如下:key=1;

　　do{

　　swap(&lock,&key);

　　whlie(key==1);

　　訪問臨界資源;

　　lock=0;

　　其余代碼;

　　}while(1);進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)前,利用swap指令交換lock和key的值,檢查key的狀態(tài),判斷是否有進(jìn)程已進(jìn)入臨界區(qū)。若其他進(jìn)程已進(jìn)入,則該進(jìn)程不斷重復(fù)交換和檢查過程,直到其他進(jìn)程退出臨界區(qū)。

　　3.3信號(hào)量方法

　　由于硬件方法采用原語或指令形式,將修改和檢查作為一個(gè)不可分割的整體,因而比軟件方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而,進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程是隨機(jī)選擇的,使得部分進(jìn)程可能一直未被選擇,從而導(dǎo)致“饑餓”現(xiàn)象。為此,實(shí)際系統(tǒng)中常采用信號(hào)量機(jī)制和PV操作進(jìn)程互斥。

　　信號(hào)量機(jī)制是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程利用彼此之間收發(fā)的簡(jiǎn)單信號(hào)來實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行,其中進(jìn)程若未收到指定的信號(hào),則停留在特定的地方,直至收到了信號(hào)后才能繼續(xù)往下執(zhí)行。信號(hào)量機(jī)制目前是一種卓有成效的進(jìn)程同步機(jī)制,已被廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)。

　　3.3.1信號(hào)量機(jī)制[2]1.信號(hào)量的概念信號(hào)量（Semaphore）是一種特殊變量,它用來表示系統(tǒng)中資源的使用情況,其值與臨界區(qū)內(nèi)所使用的臨界資源的狀態(tài)有關(guān)。如果信號(hào)量S是一個(gè)整型變量,則其值表示系統(tǒng)中某類資源的數(shù)目。S必須且只能設(shè)置一次初值,并大于或等于0。當(dāng)其值大于0時(shí),表示系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)可用資源的數(shù)目;當(dāng)其值小于0時(shí),其絕對(duì)值表示等待該類資源的進(jìn)程的數(shù)目;當(dāng)其值等于0時(shí),表示系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)資源已用完,且沒有進(jìn)程等待該類資源。

　　2.信號(hào)量的操作

　　信號(hào)量機(jī)制中,信號(hào)量的值僅能通過兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的原語操作來改變,它們分別是P操作和V操作。信號(hào)量S的P、V操作表示為:P(S)和V(S),也稱為wait和signal。由于P、V操作是原語,因此,它們?cè)趫?zhí)行的過程中不可中斷。

　　利用信號(hào)量和P、V操作既可以解決并發(fā)進(jìn)程對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)問題,又可以解決并發(fā)進(jìn)程的合作問題。進(jìn)程在互斥訪問臨界資源、進(jìn)入臨界區(qū)前,先執(zhí)行P操作,退出臨界區(qū)后應(yīng)執(zhí)行V操作。

　　3.3.2信號(hào)量的分類

　　信號(hào)量機(jī)制自提出以來得到了很大發(fā)展,已從最初的單信號(hào)量機(jī)制發(fā)展到多信號(hào)量機(jī)制。

　　1.單信號(hào)量機(jī)制

　　單信號(hào)量機(jī)制是指信號(hào)量所涉及的變量只有一個(gè)。根據(jù)變量的類型,單信號(hào)量機(jī)制包括互斥型信號(hào)量、整型信號(hào)量和記錄型信號(hào)量等,其中互斥型信號(hào)量最簡(jiǎn)單,而記錄型信號(hào)量表達(dá)能力最強(qiáng)。

　�。�1）互斥型信號(hào)量

　　互斥型信號(hào)量也稱0/1信號(hào)量,它的值為0、1或FALSE、TRUE,表示當(dāng)前信號(hào)量所代表的臨界資源是否可用,其中1或TRUE表示臨界資源可用,而0或FALSE表示臨界資源當(dāng)前已被占用。

　　互斥型信號(hào)量定義為:booleanS;//互斥信號(hào)量的定義互斥型信號(hào)量的P、V操作描述如下:voidP(booleanS){

　　while(!S);//若信號(hào)量為FALSE,表示資源不可用,繼續(xù)測(cè)試

　　S=FALSE;//表示可以進(jìn)入臨界區(qū),同時(shí)不允許其他進(jìn)程進(jìn)入

　　}

　　voidV(booleanS){

　　S=TRUE;//允許其他進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)

　　}（2）整型信號(hào)量

　　互斥型信號(hào)量雖然能保證進(jìn)程互斥地訪問臨界資源,但不能反映臨界資源的數(shù)量。針對(duì)這個(gè)問題,提出了整型信號(hào)量,即信號(hào)量的類型為整型。整型信號(hào)量S的初始值應(yīng)大于等于0,其值不僅能表示臨界資源是否空閑,還具有如下物理意義:

　�、賁>0:表示當(dāng)前有S個(gè)資源可用;

　�、赟=0:表示當(dāng)前沒有資源可用,且沒有等待該資源的進(jìn)程;

　�、跾<0:表示當(dāng)前有|S|個(gè)進(jìn)程正在等待此資源。

　　整型信號(hào)量定義為:intS;//整型信號(hào)量定義整型信號(hào)量的P、V操作描述如下:voidP(intS){

　　S--;//表示申請(qǐng)一個(gè)資源

　　while(S<0);//若信號(hào)量為0,表示無資源可用,反復(fù)測(cè)試

　　}……

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