操作系统中的进程管理是确保系统资源有效分配和调度的关键部分,特别是在多道程序环境中,多个进程可能会并发执行。这里主要讨论的是进程之间的相互制约关系,主要包括资源共享和进程合作,以及为解决这些问题而引入的进程互斥和同步机制。
进程的相互制约关系主要由两方面原因产生:一是资源共享,二是进程合作。在多进程环境中,资源如磁盘可以被多个进程共享,但像打印机这样的资源只能被独占使用。这种共享和独占可能导致进程间的竞争和协作关系。
进程的互斥(Mutual Exclusion)是解决竞争关系的手段,确保在同一时间内,只有一个进程能访问特定的共享资源,例如,当一个进程正在使用打印机时,其他进程必须等待其完成。为了实现互斥,通常会利用临界区管理,即定义一段代码,这段代码在执行期间不允许其他进程访问共享资源。虽然互斥是一种特殊的同步形式,但它的目标是防止资源的并发访问,以避免数据不一致性。
进程的同步(Synchronization)是解决协作关系的手段,用于协调不同进程间的通信和协调,确保它们按照预期的顺序执行。例如,输入、处理和输出三个进程协作完成任务时,一个进程必须等待其他进程完成其任务后再继续执行。同步可以防止进程在没有准备好接收信息时就开始运行,导致数据丢失或错误。
互斥的概念可以通过日常生活中的例子来理解,如宿舍的固定电话或打印机。如果多个进程试图同时使用这些资源,结果可能是混乱的。例如,在并发环境中,两个进程尝试使用同一台打印机可能导致打印输出交错,而两个进程同时修改共享变量可能导致数据错误。
临界资源是那些一次只能由一个进程访问的资源,包括物理设备(如打印机)和软件资源(如共享变量)。临界区是指在进程中访问临界资源的代码段,为了保护这些资源,必须确保一次只有一个进程可以执行临界区内的代码。为了实现这一目标,引入了锁和上锁/开锁操作。
锁是一种机制,通过设置一个状态变量(锁位)来控制对资源的访问。当资源可用时,锁位为0,而被占用时为1。进程在使用资源前会检查锁位,如果资源可用(锁位为0),进程会将锁位设置为1,表示占用资源(上锁),反之,如果资源已被占用,进程会循环等待直至资源变为可用(开锁)。然而,简单的锁机制可能导致忙等待(busy waiting),即进程在等待资源时持续占用CPU,这会浪费资源。因此,通常需要改进的锁原语来避免这种情况,如使用条件变量和信号量等高级同步原语。
操作系统中的进程管理涉及到如何有效地管理和调度进程,以确保资源共享的正确性和进程间的协作。进程互斥和同步是解决这一问题的核心方法,通过它们,可以确保并发环境中的进程执行有序且无冲突。