并发控制:互斥与同步——操作系统核心设计原则
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更新于2024-07-27
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"操作系统_精髓与设计原理_第6版 - Chapter5-new,主要探讨并发性、互斥与同步,由William Stallings和Dave Bremer撰写,涵盖了多处理、分布式处理等现代操作系统的核心概念。"
在操作系统的设计中,并发性是核心问题之一,它涉及到多个进程或线程的同时执行。这在多应用共享时间、结构化应用程序以及模块化设计的扩展中尤其显著。第6版的《操作系统:内部结构与设计原理》中,作者William Stallings和Dave Bremer深入讨论了这一主题。
1. **并发性(Concurrency)**:
并发性不仅出现在多应用程序的环境中,也体现在处理器通过时间片轮转实现的多任务处理。在单处理器系统中,进程可以被交错执行,而在多处理器系统中,则可以真正实现重叠执行。这种特性使得多个任务可以在一个时间段内看似同时进行,提高了系统资源的利用率。
2. **互斥(Mutual Exclusion)**:
当多个进程需要访问共享资源时,互斥机制就显得尤为重要。为了防止多个进程同时访问导致数据不一致,硬件支持如测试和设置指令、原子操作等可以用于实现互斥。这些机制确保一次只有一个进程能访问共享资源。
3. **信号量(Semaphores)**:
信号量是一种经典的同步工具,用于管理对公共资源的访问。它是一个整数值,进程通过操作这个值来申请或释放资源。P操作(减操作)和V操作(加操作)保证了对信号量的原子操作,从而实现对共享资源的互斥访问。
4. **监视器(Monitors)**:
监视器是一种高级同步原语,它提供了一种封装共享数据结构和过程的机制。在监视器中,所有对共享数据的访问都必须在监视器提供的方法内部完成,确保了数据的完整性。
5. **消息传递(Message Passing)**:
消息传递是另一种实现进程间通信的方式,它允许进程通过发送和接收消息来协调它们的行为。这种方式在分布式系统中尤为常见,可以避免共享内存带来的问题。
6. **读写者问题(Readers/Writers Problem)**:
在多进程环境中,可能存在多个读者和少数写者的情况。读写者问题关注如何在不阻塞读者的情况下,确保任何时候只有一个写者在修改共享资源,而读者之间则可以并发访问。
7. **多处理(Multiprocessing)**:
在多处理器系统中,多个处理器共享内存和其他系统资源,每个处理器都可以运行独立的进程。这使得操作系统可以并行执行更多任务,提高了系统的整体性能。
8. **分布式处理(Distributed Processing)**:
分布式处理涉及分布在不同物理节点上的进程协作完成任务。这种环境下的并发性更复杂,需要处理网络延迟和节点间的通信问题。
处理并发性的主要挑战包括共享全局资源的管理、资源分配的优化以及并发编程中的错误定位。操作系统自身通常也以一组进程或线程的形式实现,这增加了设计的复杂性,但同时也提供了更好的模块化和灵活性。理解并发性、互斥和同步的基本原理对于设计高效、可靠的现代操作系统至关重要。
2012-09-08 上传
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2023-11-02 上传
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