操作系统2.3.11 管程

一、为什么要引入管程

为了实现进程的同步,互斥操作,我们引入了信号量机制。

但信号量机制存在问题:我们编写程序困难,容易出错。

于是为了方便实现进程的同步,互斥操作提出了管程。

二、管程的组成和基本特性

1、管程的组成

2、管程的基本特性

1)局部于管程的数据只能被局部于管程内的过程所访问

2)一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程访问共享数据

3)每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程

三、用管程解决生产者消费者问题

//管程
monitor ProducerConsumer
condition full,empty; //条件变量用来实现同步(排队)
int count=0; //缓冲区中的产品数
void insert(Item item) //把产品item放入缓冲区
{
    if(count == N)
        wait(full); //缓冲区满了,自动堵塞
    count++;
    inset_item(item);
    if(count == 1) //如果这个产品放入缓冲区后,共有一个产品,则可能有消费者进程在等待
        signal(empty) //唤醒empty队列的队头消费者进程
}

Item remove()
{
    if(count == 0) //说明缓冲区中无产品
        wait(empty); //消费者进程自动堵塞,进入empty队列等候
    count--;
    if(count == N-1) //缓冲区有空闲了
        signal(full); //唤醒full队列中的生产者进程
}
end monitor;
//生产者进程
Producer()
{
    while(1)
    {
        item = 生产的产品;
        ProducerConsumer.insert(item);
    }
}
//消费者进程
Producer()
{
    while(1)
    {
        ProducerConsumer.remove();
        消费产品item;
    }
}

由于每次只允许一个进程在管程内执行每个内部过程,所以由编译器负责实现各个进程互斥的进入管程的过程

总而言之,引入管程无非就是更方便地实现进程互斥和同步。

1)需要在管程中定义共享数据(如生产者消费者进程中的缓冲区)

2)需要在管程中定义用于访问这些数据的入口——其实就是一些函数(如生产者消费者进程中,可以定义一个函数将产品放入缓冲区,在定义一个函数将产品从缓冲区取出)

3)只有通过这些特定的入口才能访问数据

4)管程中有很多入口(函数),但是每次只能开放一个入口(函数),并且只让一个进程进入,这样就实现了进程的互斥。注:这种特性由编译器实现程序员不需要关心

5)可以在管程中设置条件变量等待/唤醒操作来解决同步问题。可以让一个进程或者线程在条件变量上等待(此时,该进程应该释放管程的使用权,也就是让出函数入口);可以通过唤醒操作将等待在变量上的进程或线程唤醒

四、Java中类似于管程的机制

在Java中,如果使用关键字synchronize来描述一个函数,那么这个函数同一时间只能被一个进程调用。

如果多个线程同时调用函数,则后来者需要排队等待。

static class monitor{
    private Iteam buffer[] = new Item[N];
    private int count=0;
    
    public synchronize void insert(Item item){
        .......
    }
}

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