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操作系统进程互斥与同步教学难点突破2600字
操作系统进程互斥与同步教学难点突破2600字 操作系统进程互斥与同步教学难点突破 1 序言 操作系统是专业的核心课程，操作系统的教学主要是让学生理解并掌握操作 系统的功能及实现原理，理论性很强，知识点多，教学难度大，学生不易掌握， 特别是对于高职院校的学生。为了让学生能很好地学习操作系统的理论知识，老 师们进行的了很多的探讨与教学尝试，下面就将我多年来在操作系统教中，对进 程同步与互斥这个教学难点的教学方法作一个简单的论述。2 相关概念的突破 教学时以小型体育运动会实例来解释相关的概念。
实例描述：一个在半天内完成的小型体育运动会。比赛项目有：100米，200 米，4*100米接力。而这三个项目又分为预赛和决赛两个阶段进行，预赛先于决 赛进行。因此总的比赛项目有：100米预赛，200米预赛，4*100米接力预赛，100 米决赛，200米决赛，4*100米接力决赛六个子项目。因为运动场地只有一块，所 以某一时刻只能有一项体育比赛可以进行。某项比赛一旦开始，就必须全部比赛 完成，但不同的比赛可以穿插进行。
1）进程：具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动。
因为每一个项目都是可以独立进行的，所以可以将每一个项目看成是一个具 有独立功能的程序，而将每一项比赛看成是每一个项目在裁判、计时员等支持下 的一次独立运行活动。因此六个项目的比赛过程可以看成六个进程的运行。
2）并发：同一个时间段内几个进程都处于已经开始运行和运行完毕之间， 且这几个进程都是在同一个处理机上运行，但在任一时刻，只能有一个进程在处 理机上运行。我们就说这几个进程处于并发状态。
运动会的三个项目是交替进行的，我们认为这三个项目都处于进行当中，因 为他们都没有结束。这种状态就称之为并发状态。因为运动场地只有一个，所以 同一时刻只能有一个项目在进行当中，我们就说比赛并行为1，若有两个场地可 以同时比赛，我们就说并行为2。3）临界资源：操作系统把一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。
由于竞赛场地某一时刻只能进行一场比赛，所以场地是临界资源。
4）临界区：一个进程中访问临界资源的那段程序。
由于每场比赛都要使用场地，因此每场比赛都是临界区。
5）互斥：是指多个进程不能同时使用同一个资源。
由于比赛场地只能轮流使用而不能同时使用，所以使用场地的过程就称为互 斥过程。
6）同步：指多个进程之间存在着某种时序关系，必须协同动作、相互配合。
4*100接力比赛是4个人协同完成的，每人跑一棒，而且是第一棒跑完才能跑 第二棒，第二棒跑完才能跑第三棒，第三棒跑完才能跑第四棒。这种有严格时序 关系的协同过程就称为同步，四个人之间的先后关系就是同步关系。
运动场地是一个封闭的空间，入口有一道门，要想进入运动场，必须获得打 开门的钥匙，而钥匙只有一把，所以一开始时的Value的初值为1，获得钥匙的运 动项目可以进入运动场比赛，而没有获得钥匙的运动项目则在门外排队等待。
8）原语：通常由若干条指令组成，用来实现某个特定的操作。通过一段不 可分割的或不可中断的程序实现其功能。
信号量只能通过P原语和V原语访问。
P操作用于申请资源，value值减1，如果资源数量不够，则进程需要阻塞等 待。
V操作用于释放资源， value值加1，如果此时value<0，表示有其他进程等 待该资源，则唤醒。
当value<0时，| value|表示等待队列的进程数。
拿到钥匙，打开门，进入场地这三个动作必须一次性完成，中间不可以被中 止，这就是原语操作。
3 进程互斥的实现 由于运动场地是临界资源，所以哪一个项目可以使用运动场地进行比赛是需 要竞争的，那么如何保证进入运动场比赛的项目只能是一个呢？我们使用信号量来控制互斥地使用运动场地。
信号量就是一把钥匙，而且钥匙只有一把，因此设信号量S的初值为1。
由于100米预赛，200米预赛和4*100接力预赛是可以并发进行的，因此，我 们设计三个并发程序控制使用运动场地进行比赛（临界区）。而哪个项目能够进 行（进入临界区），就看哪个项目获得了运动场地（临界资源）的使用权，而对 使用权的控制就是看谁能够进入运动场地，最终则是谁能获得入门的钥匙（信号 量），因此只要控制住钥匙，就能实现互斥进入。
结论：使用信号量实现互斥的方法是在临界区前放置一个P原语操作，临界 区后面放置一个V原语操作。含义为：P原语申请钥匙，如果成功则获得资源（运 动场地），进行比赛，比赛结束后，V原语操作，交出钥匙（信号量），唤醒等 待比赛的项目。
4 进程同步的实现 进程之间的关系除了竞争关系以外，可能还存在时间上的制约关系，这种关 系就是同步关系。比如运动会中，运动项目之间就存在时序上的先后关系，100 米预赛必须先于100米决赛之前进行，而200米决赛则不能早于200米预赛之前进 行。4*100米接力赛中的四个人之间也存在着先后关系。那么如何通过信号量来 实现这个同步关系呢？ 我们以100米预赛和100米决赛之间的时序关系为例说明如何实现同步。
100米预赛和100米决赛为两个并发程序，100米预赛早于100米决赛进行。则 可以将它们之间的时序关系通过有向图来表示，图1说明了100米预赛先于100米 决赛进行。
} 说明：由于信号量初值为0，因此只有当【100米预赛】并发程序执行结束以 后，s的值才能为1，也只有当s的值为1后，【100米决赛】并发程序才能够执行， 从而实现了两个并发程序之间的时序关系。
综上所述，我们总结出进程同步中并发程序的书写规则：
1）将问题中的所有有时序关系的并发程序找出，用有向图画出他们之间的时序关系；
2）有向图中有几个结点，则写几个并发程序；
3）有向图中有几个有向箭头，则设置几个信号量，同时将所有信号量的初 值设为0；
4）对于有向图中的每个结点，如果有一个出向箭头，则在并发程序的后面 加一个V操作；
5）对于有向图中的每个结点，如果有一个入向箭头，则在并发程序的前面 加一个P操作。
举例说明：如图2所示的有向图，请写出所有进程的并发程序。
} 5 结论
