操作系统第四章：并发进程与同步通信

操作系统是计算机系统中的核心软件，它管理硬件资源并提供服务供其他软件（如应用程序）使用。本课件主要探讨的是操作系统中的并发进程、互斥、同步以及进程高级通信的概念，这些都是多任务处理和多线程操作的基础。 第四章首先介绍了并发进程。并发进程是指两个或多个进程在同一时间段内同时进行，但不一定是同一时刻。前趋图是一种表示进程间依赖关系的工具，它由有向无环图构成，其中的节点代表进程或计算步骤，边则表示一个进程必须在另一个进程之前完成的关系。例如，在一个简单的前趋图中，P1、P2、P3、P4和P5等进程之间可能存在复杂的依赖关系，如P1可能需要在P2、P3和P4之前完成，而P5可能依赖于P2、P3和P4。每个节点还可以附带权重，表示执行的复杂度或所需时间。 顺序程序是指按照特定顺序执行指令的程序，具有内部和外部顺序性。内部顺序性意味着一个进程内的所有指令严格按照顺序执行，而外部顺序性则确保在一个系统中，多个进程的执行顺序清晰明了。例如，输入、计算和打印三个进程的执行顺序是I1→C1→P1→I2→C2→P2，每个进程内部的活动是连续的，不受其他进程影响。 然而，当多个进程可以并发执行时，这种顺序性就会被打破。并发程序的内部并发性允许一个程序内的不同部分同时执行，比如在一个程序中，S1、S2、S3、S4和S5可以同时执行，而不是顺序执行。外部并发性则涉及到多个进程之间可能同时进行，这在多处理器或多核系统中尤为常见，如I1和I2可以同时进行输入操作，而C1和C2可以同时进行计算。 进程互斥是指在某一时刻只有一个进程能够访问共享资源，以防止数据的不一致性和冲突。例如，两个进程试图同时修改一个变量会导致数据混乱，因此需要互斥机制来保证同一时刻只有一个进程能进行修改。同步是指进程间通过协调它们的执行次序来达到期望的结果，这可能通过信号量、条件变量、管程等同步原语实现。 进程高级通信则是指进程间更复杂的数据交换方式，包括管道、消息队列、共享内存和套接字等。这些通信机制允许进程间交换大量数据，并且可以实现更复杂的交互模式，如请求-响应、发布-订阅等。 总结来说，操作系统中并发进程、互斥、同步和通信是支撑多任务处理和并发执行的核心概念。理解和掌握这些知识对于设计和优化高效的多线程应用至关重要，同时也对操作系统的设计和实现有着深远的影响。