2.3 进程管理（经典进程同步问题）

互斥：

  • P

  • 临界资源

  • V

同步：

  • 前置事件

  • V

  • P

  • 后置事件

一、生产者-消费者问题

  • 系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用；

  • 生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区；

  • 只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待；

  • 只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待；

  • 缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。

1、分析关系

  • 生产者和消费者访问缓冲区是互斥的；

  • 生产者和消费者的工作需要同步，即生产完成之后才能消费。

2、设置信号量

semaphore mutex = 1;    //互斥信号量，实现对缓冲区的互斥访问
semaphore empty = n;    //同步信号量，表示空闲缓冲区的数量
semaphore full = 0;     //同步信号量，表示产品（非空缓冲区）的数量

3、实际代码

producer(){
    while(1){
        生产产品
        P(empty);    //申请新的缓冲区
        P(mutex);    //申请访问临界资源
        存入缓冲区
        V(mutex);    //释放临界资源
        V(full);     //释放一个消费品（非空缓冲区）
    }
}

consumer(){
    while(1){
        P(full);     //申请使用消费品
        P(mutex);    //申请访问临界资源
        从缓冲区取出
        V(mutex);    //释放临界资源
        V(empty);    //释放一个空缓冲区
        消费产品
    }
}

实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后

两个V操作可以交换顺序

二、多生产者-多消费者问题

有父亲、母亲、儿子、女儿四人，其中：

  • 父亲往盘子中放苹果；

  • 母亲往盘子中放橘子；

  • 女儿从盘子中拿苹果；

  • 儿子从盘子中拿橘子；

  • 只有盘子空时才能放水果；

  • 只有有需要的水果时才能拿水果。

1、分析关系

  • 互斥

    • 对盘子的访问是互斥的

  • 同步

    • 父亲放入苹果后，女儿才能拿苹果

    • 母亲放入橘子后，儿子才能拿橘子

    • 盘子为空时才能放水果

2、设置信号量

semaphore mutex = 1;    //互斥信号量，实现盘子的互斥访问
semaphore plate = 1;    //同步信号量，代表盘子的剩余空位
semaphore apple = 0;    //同步信号量，代表苹果数量
semaphore orange = 0;   //同步信号量，代表橘子数量

3、实际代码

dad(){
    while(1){
        准备苹果
        P(plate);        //申请盘子资源
        P(mutex);
        将苹果放入盘子
        V(mutex);
        V(apple);        //释放一个苹果
    }
}

mom(){
    while(1){
        准备橘子
        P(plate);        //申请盘子资源
        P(mutex);
        将橘子放入盘子
        V(mutex);
        V(orange);       //释放一个橘子
    }
}

daughter(){
    while(1){
        P(apple);        //申请苹果资源
        P(mutex);
        拿出苹果
        V(mutex);
        V(plate);        //释放盘子资源
        恰苹果        
    }
}

son(){
    while(1){
        P(orange);       //申请橘子资源
        P(mutex);
        拿出橘子
        V(mutex);
        V(plate);        //释放盘子资源
        恰橘子        
    }
}

由于本问题缓冲区为1，可以考虑不设置信号量。

三、吸烟者问题

系统中有一个供应者和三个吸烟者，吸烟者吸烟需要自己卷烟，其中

  • 卷烟需要烟草、纸、胶水三种材料

  • 每个吸烟者各有其中的一种材料

  • 供应者每次会提供其中两种材料，并由缺少该材料的吸烟者拿取

  • 吸烟者制作完烟并抽掉后，发出信号，供应者放下一组物品

1、分析关系

可以将桌子视为容量为1的缓冲区，并且将两种材料分别视为三种组合：

  • 组合一：纸+胶水

  • 组合二：烟草+胶水

  • 组合三：烟草+纸

  • 互斥

    • 对桌子的访问需要互斥进行

  • 同步

    • 桌上有组合一，第一个抽烟者取走物品

    • 桌上有组合二，第二个抽烟者取走物品

    • 桌上有组合三，第三个抽烟者取走物品

    • 发出完成信号后，供应者将下一个组合放到桌上

2、信号量设置

semaphore offer1 = 0;    //同步信号量，桌上组合一的数量
semaphore offer1 = 0;    //同步信号量，桌上组合二的数量
semaphore offer1 = 0;    //同步信号量，桌上组合三的数量
semaphore finish = 0;    //同步信号量，抽烟是否完成
int i = 0;               //实现轮流提供材料

3、实际代码

provider(){
    while(1){
        if (i==0){
            将组合一放在桌上
            V(offer1);        //提供材料
        }else if (i==1){
            将组合二放在桌上
            V(offer2);
        }else if (i ==2){
            将组合三放在桌上
            V(offer3);
        }
        i = (i+1) % 3;       //轮流提供素材
        P(finish);           //等待完成信号
    }
}

smoker1(){
    while(1){
        P(offer1);           //请求组合一资源
        从桌上拿走组合一
        卷烟，抽烟
        V(finish);           //发出完成信号
    }
}

smoker2(){
    while(1){
        P(offer2);
        从桌上拿走组合二
        卷烟，抽烟
        V(finish);
    }
}

smoker3(){
    while(1){
        P(offer3);
        从桌上拿走组合三
        卷烟，抽烟
        V(finish);
    }
}

四、读者-写者问题

有读者和写者两组并发进程，共享一个文件。要求：

  • 读者可以同时读取文件；

  • 同一时间只能有一个写者进行写操作；

  • 任一写着完成写操作之前不允许其他进程进行读或写操作；

  • 写者执行写操作前，应让其他读者和写者全部退出。

1、关系分析

  • 互斥

    • 写进程和写进程之间

    • 写进程和读进程之间

2、信号量设置

semaphore rw = 1;        //互斥信号量，实现读、写对文件的互斥访问
int count = 0;           //同时在读文件的读进程数量
semaphore mutex = 1;     //互斥信号量，实现读进程对count的互斥访问

然而，以上信号量设置有可能导致饿死，具体如下代码一所示，因此，增加一个信号量

semaphore w = 1;          //同步信号量，用于实现“写优先”

3、实际代码

writer(){
    while(1){
        P(rw);
        写文件
        V(rw);
    }
}

reader(){
    while(1){
        P(mutex);
        if (count == 0){
            P(rw);        //由第一个读进程负责上锁
        }
        V(mutex);
        
        读文件
        
        P(mutex);
        count--;
        if (count == 0){
            V(rw);        //由最后一个读进程负责解锁
        }
        V(mutex);
    }
}

以上代码存在饿死现象，即一直有读进程占用，写进程始终无法运行

因此，引入了“写优先”的信号量：

writer(){
    while(1){
        P(w);
        P(rw);
        写文件
        V(rw);
        V(w);
    }
}

reader(){
    while(1){
        P(w);             //对每一个读和写进程之间做互斥处理
        P(mutex);
        if (count == 0){
            P(rw);        //由第一个读进程负责上锁
        }
        V(mutex);
        V(w);
        
        读文件
        
        P(mutex);
        count--;
        if (count == 0){
            V(rw);        //由最后一个读进程负责解锁
        }
        V(mutex);
    }
}

当然，这种实际上是各个读、写进程之间公平运行，并不是准确的写优先。

五、哲学家进餐问题

在一个桌子上，有5位哲学家，其中

  • 每位哲学家之间摆着一根筷子，共计5根

  • 哲学家平时在思考人生，饿了就会尝试拿起左右手的筷子（一根一根的拿）

  • 如果筷子在别人手上，则等待

  • 拿起了两根筷子时，哲学家开始进食

  • 用餐完毕后放下筷子继续思考

1、关系分析

设计有三种思路来防止死锁：

  1. 将拿左右筷子的动作整体设为互斥操作

  2. 最多只允许四个人拿筷子

  3. 只允许奇数号的哲学家拿起左边的筷子；偶数号的哲学家拿起右边的筷子

2、信号量设置

semaphore chopstick[5] = {1, 1, 1, 1, 1};    //代表五根筷子的资源
semaphore mutex = 1;                         //对左右筷子整体资源互斥访问

3、实际代码

Pi(){
    while (1){
        P(mutex);
        P(chopstick[i]);            //拿左
        P(chopstick[ (i+1) % 5]);   //拿右
        V(mutex);
        
        吃饭
        
        V(chopstick[i]);
        V(chopstick[ (i+1) % 5]);
        
        思考
    }
}

实现了只有当左右手筷子都可用时才拿起筷子

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