§4.6 管程的概念一、管理的引出：

前述的各种互斥、同步手段如 Lock, unlo

ck, P, V 操作，虽然都有效地实现了互斥与同步，但都存在下列一些通病 ( 缺点 ) ：

(1) Lock, unlock, P, V 操作代码均由用户编写，计算机系统无法有效地控制和管理这些 P ， V 操作；

(2) 分散在各进程中的临界段没有集中加以管理；(3) 用户编程时难免会发生不正确地使用 P ， V 操作，

这样可能导致死锁；而编绎程序或 O.S 都无法发现和纠正此类错误。

总之说明：信号量 (P,V) 不是最安全的进程通讯手段。引出较高级的进程通信原语即管程 (monitor) 可解决这一问题。

二、管程定义：Dijkstra 提出为每个共享资源设立一个“秘

书”来管理对它的访问。一切来访者都要通过秘书，而秘书每次仅允许一个来访者 ( 进程 ) 访问共享资源。这样既便于系统管理共享资源，又能保证互斥访问和进程间同步。

以后 Hansen 在并行 PASCAL 语言中，把“秘书”概念改为管程 (monitor) 。

1. “ 一个管程是由若干过程、变量和其它数据结构形成的集合。它是管理进程间同步的机制，它保证进程互斥地访问共享变量，并且提供了一个方便的阻塞和唤醒进程的机构。”

2. 其表现形式为一个特殊种类的模块或软件包。

管程由两部分构成：(1) 局部于该管程的数据结构 ––– 共享变量。该共享

变量表示其相应的共享资源的状态 ( 通常系统为每个共享资源设置一个管程 ) ；

(2) 局部于该管程对上述数据结构进行规定的操作的若干个过程。

局部于管程内的数据结构只能被局部于管程内的过程所访问，不能被管程外的过程对其进行操作。反之，局部于管程内的过程只能访问管程内的数据结构。因此管程相当于围墙一样把共享变量 ( 数据结构 ) 和对它进行的若干操作过程围了起来。进程要共享资源 ( 进入围墙使用某操作过程 ) 就必须经过管程 ( 围墙的门 )

才能进入，管程每次只允许一个进程进入管程内，即互斥地访问共享资源。

我们仍然以生产者和消费者问题为例，看看管程方法如何实现进程之间同步。仍使用有 N 个缓冲区的环形缓冲区，每个缓冲区可容纳一个数据记录。 In 是空缓冲区头指针， Out 是满缓冲区头指针。用 notfull

作为没有满缓冲区的条件变量， notempty 作为没有空缓冲区的条件变量。用 Count 作为当前满缓冲区数量。下面是用管程方法的同步实现。

Program producer/consumermoniter boundedbuffer buffer: array [0..N] of Record; In, Out: integer; notempty, notfull: Condition;

Procedure append (x: Record); begin if Count=N then WaitC (notempty); /. 缓冲区满，等待 ./ buffer[In]:= x; In = In+1 modN; Count = Count+1 SignalC (notfull); end

procedure take (x: Record); begin if Count = 0 then WaitC (notfull); /. 缓冲区空，等待 ./ x: = buffer [Out]; Out: = Out+1 mod N Count: = Count–1 SignalC (notempty); end begin /. 管程体 ./ In: = Out: = Count: = 0 /. 初始化 ./ end

以上为管程。

Program producer;var x: record; begin repeat 生产 x ； append (x); forever end Procedure consumer var x:record; begin repeat take(x); 消费或处理 x; forever end

begin ( main program ) parbegin producer;

consumer; parendend

...

§4.1 顺序程序和并行程序§4.2 进程同步与互斥一、概念二、临界段问题

1. 临界段，临界资源。2. 怎样解决互斥问题。3. 软件方法 ––– 测试与设置 flay 。4. 硬件技术 ––– 临界区原语操作 Lock, unlock 。

三、信号量 ––– 解决同步问题 (P ， V 操作 )

§4.7 作业讲评及复习

同步 ––– 进程有着时序上关系。互斥 ––– 排它使用的资源，是同步的一种特

殊情况，一种特殊的同步。指 CS 上有特殊时序，每次仅有一个进程进入 CS 。

并发执行实例 ––– 誊抄 (复写 )

用卡片输入机，尽快地把一个文本复写到行式打印机上。

卡片输入机 行式打印机

一、一个循环顺序程序的誊抄方案program transcribelbegin flag: = False; while flag = false do begin input; 从读卡机输入记录 output; 输出到行打机上 endend

该程序功能：每次从读卡机输入一个纪录，并把它输出到行打机上，直到布尔量 flay 变真为止。

这一方案的特点是简单、正确，然而这一解法是低效的。假定读卡机速度为： 1000卡 / 分钟，打印机速度为： 600 行 / 分钟，那么，最高的传输速度仅为 375 行 / 分。原因：没有充分利用读卡机和行打机的并行操作能力，

系统的设备利用率不高。

二、两个并发程序的誊抄方案 这一方案需设置一个缓冲区 (假设大小为一个记录信息 ) ，另外，将方案分成两部分：一部分负责将读卡机的信息送 buffer ；另一部分负责从 buffer取出信息并打印，这样可使誊抄速度提高到 600 行 / 分钟，即达到最慢的那个设备的传输速率。

卡片输入机 行打机 缓冲区输入程序 输出程序

program transcribe2begin flag－ in: = false; flag－ out: = false; cogegin while flag－ in = false do begin Input; 从读卡机输入纪录 send; 发送到缓冲区 end while flag－ out = false do begin Receive; 从缓冲区接收信息 output; 输出到行打机 end coendend

P1输入程序

P2输出程序

[注 ] ：输入程序不断地从读卡机读入信息送 buffer ，而输出程序不断地从 buffer 中取出信息送行打机。但由于两者速度不一样，若对这两个程序的执行不加任何限制，则会出现下列问题。 ( 这两个程序是并发执行的 ) 。(1) 若打印速度高于输入速度，导致要打印的内容还没有送入 buffer ，打印的并不是所需的

( 有可能是前次的 ) 。(2) 反之，则打印机还未打印的内容可能被新输入的覆盖，这样，打印结果，一部分正确，一部分为以后的信息，还有一些应打印的信息却丢失了。

总之，在这种方案下，打印的结果是不正确的，虽然提高了设备的利用率，但不能保证正确的誊抄。这是不可取的。

原因：共用一个 buffer ，两设备的速度不相匹配。

三、 三个并发程序的誊抄方案

卡片输入机 行打机 B1

输入 输出 B2

复制f (输入序列 )

输入 buffer

输出 buffer g (输出序列 )

输入 Input ： Get (B1, f) ；从输入序列 f 得到一个记录 B1 ；

输出 output ： put (B2, g) ；将记录从 B2放到输出序列 g 上。

复制 copy ： B2 = B1 ；把记录从 B1复制到 B2 ；

program transcribe3;var B1, B2: T; flag: booleanbegin if not Empty (f) then begin flag: = false; get (B1, f) repeat B2 = B1; cobegin put (B1, g); if empty (f) then flag: = true else get (B1, f ); coend until flag;end

上述程序中的 repeat含有三个分语句，改写为： 复制语句 copy “ B2: = B1” ；

输入语句 get “ if empty (f) then flag: = true else get (B1, f)” 。

输出语句 put “ put (B2, g)” ；

程序改写成： repeat copy; {复制 } cobegin put; {输入、输出 get; 并行运行 } coend until flag;

对比顺序处理时，工作模式为：G1

C1

G2 P1

C2

G3 P2

C3

P3

使得输入、输出的两设备可并行工作，提高了设备利用率。

若程序员把“ repeat ––– until”重复语句写成 Get repeatbegin copy put Getenduntil

三个并发进程

假定运行第一次为： B1=R2, B2=R1, f=(R3, R4, … Rm) g=(R

1) ，则运行第二次后， copy, put, get穿插执行六种方案：

copy, put, get

put, copy, get

copy, get, put导致 G=(R1, R2) 正确复制在输入、出前完成

put, get, copy

get, copy, put 导致 G=(R1, R3) 错，把 R2 冲了。

导致 G=(R1, R1) 错， put 在 copy 前前一个记录再度输出 get, put, copy

由上可知：结果不确定，出现了三种可能的结果。 如果我们要复制一个具有 1000 个记录的序列，那么将会有 31000 个结果，即可再现现场几乎不可能，只有 1/31000 这个就叫做结果的不确定性 (也可称为与执行时间和速度有关 ) ，使我们难以找到错误的所在。

主要原因：由于并行程序的共享性和并行性。

解：共享资源为 S ， T

设 4 个信号量 SA ， SB ， TA ， TB 分别表示：SA ： buffer1 中是否有信息；SB ： buffer1 中信息是否取走；

TB ： buffer2 中信息是否取走；TA ： buffer1 中是否有信息；

用信号量实现同步

begin SA: = SB = TA = TB = 0; repeat cobegin

P1: begin get; V(SA); P(SB); end

P2: begin P(SA); copy V(SB); V(TA) P(TB) end

P3: begin P(TA); put; V(TB); end

coend forever;end