管程机制 基本讲解

 

管程定义

• 构成要素：管程定义了一个数据结构，以及能为并发进程在该数据结构上执行的一组操作。
  • 数据结构：例如在多进程共享资源场景中，可代表共享资源状态的变量集合，像共享文件读写状态、共享缓冲区占用情况等。
  • 一组操作：针对共享数据的操作，如读取共享文件内容、向共享缓冲区写入数据。不仅能改变管程中数据状态，还能实现进程同步。比如控制写进程写入后读进程再读取，避免读不完整数据。
• 功能作用
  • 同步进程：通过操作控制进程执行顺序，确保共享数据访问符合预期。
  • 改变数据：操作可改变管程中的数据，如写进程改变共享缓冲区占用状态。

语法描述

• 管程声明：Monitor monitor_name { 定义名为 monitor_name 的管程，是管理共享资源 “工具包” 的名称。
• 共享变量说明：share variable declarations; 声明管程内共享变量，记录共享资源状态，如共享缓冲区大小、已使用空间等。
• 条件变量说明：cond declarations; 声明条件变量，用于进程同步和等待。如缓冲区满时写进程在条件变量等待，待有空闲空间时被唤醒。
• 公共过程声明：public: 下的 void P1(……){……} 等过程，可被进程调用，包含对管程内数据结构操作代码，进程借此访问修改共享数据，且操作受管程机制控制，保证访问安全有序。
• 管程主体：{ initialization code; …… } 为管程主体，其中 initialization code; 是初始化代码，用于设置共享变量初始值、初始化条件变量等，如将共享缓冲区已使用空间初始化为 0 ，为后续操作做准备。

条件变量的定义与声明

• 定义：条件变量是一种用于实现进程同步的机制。它可以让进程在某个特定条件满足之前进入阻塞状态，当条件满足时再被唤醒继续执行。
• 声明：图中 condition x, y; 声明了两个条件变量 x 和 y 。这就好比设置了两个 “等待关卡”，进程可以在这些关卡处等待特定条件的发生。

条件变量的操作

• 阻塞操作（wait）：x.wait() 表示进程执行到该操作时会被阻塞。具体来说，进程会暂停执行，进入等待状态，直到另外一个进程调用 x.signal() 来唤醒它。这类似于一个人在等待公交车，在公交车到来（信号发出）之前，他只能一直等着。
• 唤醒操作（signal）：x.signal() 的作用是唤醒因调用 x.wait() 而被阻塞的另外一个进程。就好像公交车来了，司机鸣笛（发出信号）通知等待的乘客可以上车（唤醒进程继续执行）。

 

1. 管程的核心结构

管程是一种封装共享资源和同步操作的软件模块，其结构包含：

• 共享数据：例如共享缓冲区、文件状态等，是多个进程竞争访问的对象。
• 操作过程：也称为 “管程过程”，是一组用于操作共享数据的函数（如 insert()、remove()），相当于对共享资源的 “访问接口”。
• 初始化代码：在管程创建时执行，用于初始化共享数据的初始状态。

2. 进程访问管程的流程

当多个进程需要访问管程内的共享资源时：

1. 进入队列（Entry Queue）
   所有试图进入管程的进程首先进入进入队列。管程在同一时间只允许一个进程执行其内部的操作过程，因此其他进程必须在此排队等待。
   类比：就像餐厅门口的等待区，顾客（进程）必须先在此等待，直到有空桌（管程可用）。

2. 获取管程使用权
   当管程内的进程执行完毕并离开时，进入队列中的第一个进程将被唤醒，获得进入管程的权限。

3. 条件变量与等待队列

管程内部的条件变量（如 x、y）用于处理更复杂的同步需求。当进程在执行过程中发现某个条件不满足时：

• 执行 x.wait()
  进程会释放管程的使用权，并进入与条件变量 x 关联的等待队列（Queue for x）。此时，进入队列中的下一个进程将被允许进入管程。
  类比：顾客进入餐厅后发现没有干净餐具（条件不满足），于是回到 “缺餐具” 的等待区等待。

• 执行 x.signal()
  当另一个进程改变了条件（例如清理了餐具），可以通过 x.signal() 唤醒在 x 队列中等待的进程。被唤醒的进程会重新进入进入队列，竞争管程的使用权。
  类比：服务员清理好餐具后，通知 “缺餐具” 等待区的顾客可以重新进入餐厅。

4. 两个关键队列的区别

队列类型	作用	触发场景
进入队列	控制进程进入管程的顺序，确保同一时间只有一个进程在管程内执行操作。	所有试图进入管程的进程都会先进入此队列。
条件变量队列	当进程在管程内执行时，因某个条件不满足而被阻塞，进入与特定条件变量关联的队列。	进程在管程内执行 x.wait() 时触发。

5. 示例场景

假设管程管理一个共享缓冲区，条件变量 empty 表示缓冲区为空，full 表示缓冲区已满：

1. 生产者进程进入管程，发现缓冲区已满（full 条件成立），执行 full.wait()，进入 full 队列等待。
2. 消费者进程进入管程，消费数据后缓冲区变为空，执行 empty.signal()，唤醒 empty 队列中的生产者进程。
3. 被唤醒的生产者进程重新进入进入队列，等待获取管程使用权后继续执行。

条件变量问题及处理方式

• 存在的问题：在管程内可能存在不止 1 个进程。例如，当进程 P 调用 signal 操作唤醒进程 Q 后，会面临如何协调这两个进程后续执行顺序的问题。因为管程内的资源访问需要有序进行，否则可能导致数据不一致或其他错误。
• 处理方式
  • Hoare 方式：P 等待，直到 Q 离开管程或等待另一条件。这意味着 P 唤醒 Q 后，P 自身会进入等待状态，让 Q 先使用管程内的资源，直到 Q 完成操作离开管程，或者出现另一个满足条件的事件。
  • Hansen 方式：Q 等待，直到 P 离开管程或等待另一条件。即 P 唤醒 Q 后，Q 不会立即执行，而是等待 P 离开管程，或者等到满足另一个特定条件时才开始执行。

总结

• 进入队列是管程的 “总入口”，确保互斥访问。
• 条件变量队列是管程内部的 “子等待区”，用于处理特定条件下的进程阻塞。
• wait() 让进程从管程进入条件队列，signal() 让进程从条件队列回到进入队列。