2.6 进程同步

2.6.4 管程

　　如果用户进程在进入临界区前没有申请，或者在退出临界区时没有释放，那么互斥就不能正确实现。为了确保互斥的正确实施，操作系统工作者设计了一种靠语言编译来保证互斥正确性的机制——管程机制。
　　1．管程的引入
　　用信号量和P、V操作来解决进程同步问题，对于共享变量及信号量变量的操作，将被分散于各个进程中。它的缺点是很明显的：一是易读性差，因为要了解对于一组共享变量及信号量的操作是否正确，必须通读整个系统或者并发程序；二是不利于修改和维护，因为程序的局部性差，所以任一组变量或一段代码的修改都可能影响全局；三是正确性难以保证，因为操作系统或并发程序通常很大，要保证这样一个复杂的系统没有逻辑错误是很难的。例如，后面将会涉及的生产者和消费者问题中，如果将Producer进程中的两个P操作：P（empty）和P（mutex）的位置进行调换，就会出现这样的情况，信号量mutex会先于empty被减1。这样如果缓冲区是满的，empty被置为0，而生产者也被阻塞了。如果这时消费者要读取缓冲区，先对信号量mutex作P操作，但该信号量已为0，所以它也被阻塞了，这种情况就称为死锁。由此可见，在使用信号量的时候必须十分仔细，任何微小的错误都可能造成死锁。
　　为了解决分散编程带来的困难，采用资源集中管理的方法，用某种数据结构表示某类资源，并将这种数据结构及与资源有关的操作集中在一起，定义为类程或管程，并用类程管理独立资源，用管程管理共享资源，它们两个是能被进程调用的实体。管程是管理进程间同步的机制，它保证进程互斥地访问共享变量，并方便地阻塞和唤醒进程。管程以函数库的形式实现。相比之下，管程比信号量好控制。
　　2．管程的定义
　　系统中的各种硬件资源和软件资源均可用数据结构抽象地描述，即用少量信息和对该资源所执行的操作来表明该资源，而忽略它们的内部结构和实现细节。例如，一个FIFO队列可用它的队长、队首、队尾及在该队列上所执行的一组操作来表示。当共享资源用数据结构表示时，资源管理程序可用对该数据结构进行操作的一组过程来表示。把这样一组相关的数据结构和过程称为管程。Hansan为管程下的定义：一个数据结构和能为并发进程所执行的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。由定义可知，管程由三部分组成：
　　局部于管程的共享数据说明；
　　对该数据结构进行操作的一组过程；
　　对局部于管程的数据设置初始值的语句。
　　管程机制提供了与信号量机制相同的表达能力，但它更容易控制。它可用来实现进程同步，如取名为monitor_name的管程，其语法如下：
　　
　　3．管程的特点
　　管程内的局部变量只能被局部于管程内的过程所访问。反之亦然，即局部于管程内的过程只能访问管程内的变量。
　　任何进程只能通过管程提供的过程入口进入管程。
　　任何时刻最多只能有一个进程在管程中执行。
　　保证进程互斥地进入管程是由编译器负责的，也就是说，管程是一种编程语言的构件，它的实现需要得到编译器的支持。
　　4．同步、互斥和条件变量
　　在实现一个管程时必须考虑以下3个问题。
　　（1）互斥
　　当有几个进程调用某管程时，仅允许一个进程进入管程，其他调用者必须等待，即各进程必须互斥地进入管程。这一点通常得到编译程序的支持，编译程序对每一个管程都将自动地产生一个互斥信号量，并将它的初值置为1。
　　（2）同步
　　在管程中，必须设置两个同步操作原语wait和signal。当某进程通过管程请求访问某共享数据而未能满足时，管程便调用wait原语使该进程等待，并将它排在等待队列上。仅当另一进程访问完该共享数据并释放之后，管程才可调用signal原语，唤醒等待队列中队首进程。
　　（3）条件变量
　　通常，等待的原因可有多个，为了区别它们，引入条件变量cond。管程中对每个条件变量都予以说明，其形式为“cond：condition”。该变量应置于wait和signal之前。例如，由于共享数据被占用而使调用进程等待，该条件变量形式为“nonbusy：condition”。此时，wait原语应该为nonbusy.wait，相应地，signal应改为nonbusy.signal。如果进程队列是优先级队列，则应表示为cond.wait(P)及cond.signal(P)。
　　5．利用管程解决生产者-消费者问题
　　建立一个管程PC，它包括两个过程put(item)和get(item)，它们分别执行把生产的消息放入缓冲池和从缓冲池取出消息的操作，设置一变量count表示缓冲池已存消息数目。算法描述如下：
　　
　　相应的生产者和消费者可描述为：