进程的同步与互斥--管程

管程 返回本讲概述

信号量机制功能强大，但使用时对信号量的操作分散，而且难以控制，读写和维护都很困难。因此后来又提出了一种集中式同步进程——管程。其基本思想是将共享变量和对它们的操作集中在一个模块中，操作系统或并发程序就由这样的模块构成。这样模块之间联系清晰，便于维护和修改，易于保证正确性。

本节将从以下几个方面进行介绍--

一. 管程的概念

二. 实例

一. 管程的概念

1．管程的形式

管程作为一个模块，它的类型定义如下：
    monitor_name = MoNITOR;
       共享变量说明;
       define 本管程内部定义、外部可调用的函数名表;
       use 本管程外部定义、内部可调用的函数名表;
       内部定义的函数说明和函数体
       {
         共享变量初始化语句;
       }

2．管程的特点

从语言的角度看，管程主要有以下特性：
  （1）模块化。管程是一个基本程序单位，可以单独编译;
  （2）抽象数据类型。管程是中不仅有数据，而且有对数据的操作;
  （3）信息掩蔽。管程外可以调用管程内部定义的一些函数，但函数的具体实现外部不可见;
对于管程中定义的共享变量的所有操作都局限在管程中，外部只能通过调用管程的某些函数来间接访问这些变量。因此管程有很好的封装性。
为了保证共享变量的数据一致性，管程应互斥使用。管程通常是用于管理资源的，因此管程中有进程等待队列和相应的等待和唤醒操作。在管程入口有一个等待队列，称为入口等待队列。当一个已进入管程的进程等待时，就释放管程的互斥使用权；当已进入管程的一个进程唤醒另一个进程时，两者必须有一个退出或停止使用管程。在管程内部，由于执行唤醒操作，可能存在多个等待进程（等待使用管程），称为紧急等待队列，它的优先级高于入口等待队列。
因此，一个进程进入管程之前要先申请，一般由管程提供一个enter过程；离开时释放使用权，如果紧急等待队列不空，则唤醒第一个等待者，一般也由管程提供外部过程leave。
管程内部有自己的等待机制。管程可以说明一种特殊的条件型变量：var c:condition；实际上是一个指针，指向一个等待该条件的PCB队列。对条件型变量可执行wait和signal操作：
    wait(c):若紧急等待队列不空，唤醒第一个等待者，否则释放管程使用权。执行本操作的进程进入C队列尾部；
    signal(c):若C队列为空，继续原进程，否则唤醒队列第一个等待者，自己进入紧急等待队列尾部。

二. 实例

1．生产者-消费者问题（有buffer）

问题描述：(见信号量部分）
解答：
  管程：buffer=MODULE;
   （假设已实现一基本管程monitor，提供enter,leave,signal,wait等操作）
     notfull,notempty:condition;
       — notfull控制缓冲区不满,notempty控制缓冲区不空；
     count,in,out: integer;
       — count记录共有几件物品，in记录第一个空缓冲区，out记录第一个不空的缓冲区
     buf:array [0..k-1] of item_type;
     define deposit,fetch;
     use monitor.enter,monitor.leave,monitor.wait,monitor.signal;
    procedure deposit(item);
    {
       if(count=k) monitor.wait(notfull);
       buf[in]=item;
       in:=(in+1) mod k;
       count++;
       monitor.signal(notempty);
     }
    procedure fetch:Item_type;
    {
       if(count=0) monitor.wait(notempty);
       item=buf[out];
       in:=(in+1) mod k;
       count--;
       monitor.signal(notfull);
       return(item);
     }
    {
       count=0;
       in=0;
       out=0;
     }

  进程：producer,consumer;
  producer（生产者进程）：
   Item_Type item;
  {
     while (true)
     {
       produce(&item);
       buffer.enter();
       buffer.deposit(item);
       buffer.leave();
     }
  }

  consumer（消费者进程）：
   Item_Type item;
  {
     while (true)
     {
       buffer.enter();
       item=buffer.fetch();
        buffer.leave();
       consume(&item);
     }
   }

例程演示

2．第一类读-写者问题

问题描述：（见信号量部分）
解答：
  管程：bulletin=MODULE;
   （假设已实现一基本管程monitor，提供enter,leave,signal,wait等操作）
     r,w:condition;
       — r控制读者使用黑板,w控制写者；
     writing:boolean;
       — 当前是否写者使用黑板
     read_account:integer;
     define start_read,end_read,start_write,end_write;
     use monitor.enter,monitor.leave,monitor.wait,monitor.signal;
    procedure start_read();
    {
       if(writing) monitor.wait(r);
       read_account++;
       monitor.signal(r);
     }
    procedure end_read();
    {
       read_account--;
       if (read_account=0) monitor.signal(w);
     }
    procedure start_write();
    {
       if((read_account<>0) or writing) monitor.wait(w);
       writing=true;
     }
    procedure end_write();
    {
       writing=false;
       if (r<>NULL) monitor.signal(r);
       else monitor.signal(w);
     }

  进程：writer - 写者进程，reader - 读者进程
  reader - (读者进程）：
  {
     while (true)
     {
       bulletin.enter();
       bulletin.start_read();
       read();
       bulletin.end_read();
       bulletin.leave();
     }
  }

  writer - (写者进程）：
  {
     while (true)
     {
       bulletin.enter();
       bulletin.start_write();
       write();
       bulletin.end_write();
       bulletin.leave();
     }
   }

例程演示

3．哲学家问题

问题描述：（见信号量部分）
解答：
  管程：dining=MODULE;
   （假设已实现一基本管程monitor，提供enter,leave,signal,wait等操作）
     queue:array [0..4] of condition;
       — 控制哲学家能否进食；
     fork:array[0..4] of (free,use);
       — 当前各个叉子的状态
     define pickup,test,putdown;
     use monitor.enter,monitor.leave,monitor.wait,monitor.signal;
    procedure pickup(i:0..4);
    {
       if(fork[i]=used) monitor.wait(queue[i]);
       fork[i]=used;
     }
    procedure putdown(i:0..4);
    {
       fork[i]=free;
       monitor.signal(queue[i]);
     }
    procedure test(i:0..4):boolean;
    {
       if(fork[i]=use) ok=false
       else { fork[i]=use; ok=true; } ;
       return ok;
     }

  管程：dining=MODULE;
  philosopher(i:0..4);
  with_two_forks:boolean;
  {
     while (true)
     {
       think();
       with_two_forks=false;;
       while(!with_two_forks) {
         dining.enter();
         dining.pickup(i);
         if(dining.test((i+1) mod 5) with_two_forks=true;
         else dining.putdown(i);
         dining.leave();
       }
       eat();
       dining.enter();
       dining.putdown(i);
       dining.putdown((i+1) mod 5));
       dining.leave();
     }
  }

例程演示