第二章.进程的描述与控制：2.5经典进程的同步问题

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2.5.1 生产者-消费者问题

问题描述：

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。

由于生产者一消费者问题是相互合作的进程关系的一种抽象，例如，在输入时，输入进程是生产者，计算进程是消费者；而在输出时，则计算进程是生产者，而打印进程是消费者，因此，该问题有很大的代表性及实用价值。

1. 利用记录型信号量解决生产者-消费者问题

• 假定，在生产者和消费者之间的公用缓冲池中，具有n个缓冲区，可利用互斥信号量mutex使诸进程实现对缓冲池的互斥使用；
• 利用资源信号量empty和full分别表示缓冲池中空缓冲区和满缓冲区的数量；
• 又假定这些生产者和消费者相互等效，只要缓冲池未满，生产者便可将消息送入缓冲池；只要缓冲池未空，消费者便可从缓冲池中取走一个消息。

对生产者-消费者问题描述如下：

生产者-消费者问题流程：

对临界资源的分析：

划分临界区与加入信号量m：

同步分析：

生产者进程算法描述：

消费者进程算法描述：

同步信号量的定义：

解决方案：

注意：

同步wait操作（wait(empty)和wait(full)）应该写在互斥wait操作（wait(m)）之前，防止引起进程死锁。释放操作（signal操作）可以无先后顺序。

发生死锁的案例：

伪代码描述：

案例

桌子上有一只盘子，每次只能向其中放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，儿子专等着吃盘子中的橘子，女儿专等着吃盘子中的苹果。只有盘子空时，爸爸或妈妈才可向盘子中放一个水果。仅当盘子中有自己需要的水果时，儿子或女儿可以从盘子中取出水果。 用PV操作实现上述过程。

问题描述：

问题分析：

代码实现：

注意：

1. 对于这样设定的问题，即使不设置专门的互斥变量mutex，也不会出现多个进程同时访问盘子的现象。原因在于：本题中的缓冲区大小为1，在任何时刻，apple、orange、plate三个同步信号量中最多只有一个是1。因此在任何时刻， 最多只有一个进程的p操作不会被阻塞，并顺利地进入“临界区”。
2. 如果缓冲区大小大于1，就必须专门设置一个互斥信号量mutex来保证互斥访问缓冲区。
3. 无论是多缓冲区还是单缓冲区，都可以加上互斥信号量，保证各进程一定会互斥地访问缓冲区。
4. 实现互斥的p操作一定要在实现同步的p操作之后，否则可能引起“死锁”。

2. 利用AND信号量解决生产者-消费者问题

3. 利用管程解决生产者-消费者问题

2.5.2 哲学家进餐问题

问题描述：

五个哲学家共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上。在圆桌上有五个碗和五支筷子，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用其左、右最靠近他的筷子，只有在他拿到两支筷子时才能进餐。进餐毕，放下筷子又继续思考。

1. 利用记录型信号量解决哲学家进餐问题

上述伪代码逻辑存在的问题：

可能引起死锁，如五个哲学家同时饥饿而各自拿起左筷子时，会使信号量chopstick均为0。因此他们试图去拿右筷子时，都会因无法拿到而无限期等待。

解决方法：

1. 最多允许4个哲学家同时坐在桌子周围。
2. 仅当一个哲学家左右两边的筷子都可用时，才允许他拿筷子（and型信号量）。
3. 给所有哲学家编号，奇数号的哲学家必须首先拿左边的筷子，偶数号的哲学家则先拿右筷子。

2. 利用AND信号量解决哲学家进餐

3. 利用管程解决哲学家进餐问题

2.5.3 读者-写者问题

问题描述：

分类描述：

• 读者优先描述

  如果读者来：

  1. 无读者、写着，新读者可以读；
  2. 无写者等待，但有其他读者正在读，新读者可以读；
  3. 有写者等待，但有其他读者正在读，新读者可以读；
  4. 有写者写，新读者等。

  如果写者来：

  4. 无读者，新写者可以写；
  5. 有读者，新写者等待；
  6. 有其他写者写或等待，新写者等待

• 写者优先描述

  如果读者来：

  1. 无读者、写者，新读者可以读；

  2. 无写者等待，但有其他读者正在读，新读者可以读；

  3. 有写者等待，但有其他读者正在读，新读者等；

  4. 有写者写，新读者等。

  如果写者来：

  1. 无读者，新写者可以写；
  2. 有读者，新写者等待；
  3. 有其他写者或等待，新写者等待。

1. 读者优先（利用记录型信号量解决）

为实现Reader与Writer进程间在读或写时的互斥而设置了一个互斥信号量w。 另外，再设置一个整型变量readcount表示正在读的进程数目。由于只要有一个Reader进程在读，便不允许Writer进程去写。因此，仅当readcount=0，表示尚无Reader进程在读时，Reader进程才需要执行wait(w)操作。若wait(w)操作成功，Reader进程便可去读，相应地，做readcount+1操作。同理，仅当Reader进程在执行了readcount减1操作后其值为0时，才须执行signal(mutex)操作，以便让Writer进程写操作。又因为readcount是一个可被多个Reader进程访问的临界资源，因此，也应该为它设置一个互斥信号量mutex。

2. 写者优先（利用信号量集解决）

利用信号量集机制解决读者一写者问题，这里的读者一写者问题，与前面的略有不同，它增加了一个限制，即最多只允许RN个读者同时读。为此，又引入了一个信号量L，并赋予其初值为RN，通过执行wait(L,1,1) 操作来控制读者的数目，每当有一个读者进入时，就要先执行wait(L,1,1)操作，使L的值减1。当有RN个读者进入读后，L便减为0，第RN+1个读者要进入读时，必然会因wait(L,1,1)操作失败而阻塞。对利用信号量集来解决读者一写者问题的描述如下：

其中，Swait(mx,1,0）语句起着开关的作用。只要无进程进入写操作，mx=1，reader进程就都可以进入读操作。但只要一旦有writer进程进入写操作时，其mx=0，则任何reader进程就都无法进入读操作。Swait(mx,1,1,L,RN,0）语句表示仅当既无writer进程在写操作（mx=1)、又无reader进程在读操作（L=RN)时，writer进程才能进入临界区进行写操作。

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参考视频：

https://www.bilibili.com/video/BV17h411B7yW?p=28

https://www.bilibili.com/video/BV1YE411D7nH?p=23

参考资料：

《计算机操作系统(第四版)》—— 汤小丹等。