【操作系统】进程经典问题

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
➢ 相邻 P 操作顺序不能改变,相邻 V 操作顺序可以改变
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➢ 问题分析:

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➢ 实现方法:

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
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➢ 解题思路

① 关系分析。找出题目中描述的各个进程,分析它们之间的同步、互斥关系
② 整理思路。根据各进程的操作流程确定 P、V 操作的大致顺序
③ 设置信号量。设置需要的信号量,并根据题目条件确定信号量初值(一般情况下,
互斥信号为 1,同步信号看对应资源的初始值是多少)

多生产者-多消费者问题

➢ 问题描述

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

➢ 问题分析

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➢ 如何实现

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一定要先同步再互斥,不然会产生死锁

吸烟者问题

➢ 问题描述

假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者不停地卷烟并抽掉它,但是要卷起并抽掉一支烟, 抽烟者需要有三种材料:烟草、纸和胶水。三个抽烟者中,第一个拥有烟草、第二个拥有纸、第三个拥有胶水。供应者进程无限地提供三种材料,供应者每次将两种材料放桌子上,拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它, 并给供应者进程一个信号告诉完成了, 供应者就会放另外两种材料再桌上,这个过程一直重复 (让三个抽烟者轮流地抽烟)

➢ 问题分析

假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者不停地卷烟并抽掉它,但是要卷起并抽掉一支烟,抽烟者需要有三种材料:烟草、纸和胶水。三个抽烟者中,第一个拥有烟草、第二个拥有纸、第三个拥有胶水。供应者进程无限地提供三种材料,供应者每次将两种材料放桌子上,拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它, 并给供应者进程一个信号告诉完成了, 供应者就会放另外两种材料再桌上,这个过程一直重复 (让三个抽烟者轮流地抽烟)
本质上这题也属于“生产者-消费者”问题,更详细的说应该是“可生产多种产品的单生产者–多消费者”。

  • 1.关系分析。找出题目中描述的各个进程,分析它们之间的同步、互斥关系。
  • 2.整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序
    1. 设置信号量。设置需要的信号量,并根据题目条件确定信号量初值。 (互斥信号量初值一般为1,同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少)
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➢ 实现方法

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读者-写者问题

➢ 问题描述

有读者和写者两组并发进程,共享一个文件,当两个或两个以上的读进程同时访问共享数据时不会产生副作用,但若某个写进程和其他进程(读进程或写进程)同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。因此要求:

  • ①允许多个读者可以同时对文件执行读操作
  • ②只允许一个写者往文件中写信息
  • ③任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作
  • ④写者执行写操作前,应让已有的读者和写者全部退出。

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➢ 问题分析

有读者和写者两组并发进程,共享一个文件, 当两个或两个以上的读进程同时访问共享数据时不会产生副作用,但若某个写进程和其他进程(读进程或写进程)同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。因此要求:

  • ①允许多个读者可以同时对文件执行读操作
  • ②只允许一个写者往文件中写信息
  • ③任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作
  • ④写者执行写操作前,应让已有的读者和写者全部退出。
  1. 关系分析。找出题目中描述的各个进程,分析它们之间的同步、互斥关系。
  2. 整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序
  3. 设置信号量。设置需要的信号量,并根据题目条件确定信号量初值。 (互斥信号量初值一般为1,同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少)
    两类进程:写进程、读进程
    互斥关系:写进程一写进程、写进程一读进程。读进程与读进程不存在互斥问题。
    写者进程和任何进程都互斥,设置一个互斥信号量rw,在写者访问共享文件前后分别执行P、V操作。
    读者进程和写者进程也要互斥,因此读者访问共享文件前后也要对rw执行P、V操作。
    如果所有读者进程在访问共享文件之前都执行P(rw)操作,那么会导致各个读进程之间也无法同时访问文件。
    Key: 读者写者问题的核心思想–怎么处理该问题呢?
    P(rw)和V(rw)其实就是对共享文件的“加锁”和“解锁”。既然各个读进程需要同时访问,而读进程与写进程又必须互斥访问,那么我们可以让第一个访问文件的读进程“加锁”,让最后一个访问完文件的读进程“解锁”。可以设置一个整数变量count来记录当前有几个读进程在访问文件。

➢ 实现方法

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哲学家问题

➢ 问题描述

一张圆桌上坐着5名哲学家,每两个哲学家之间的桌上摆一根筷子,桌子的中间是一一碗米饭。哲学
家们倾注毕生的精力用于思考和进餐,哲学家在思考时,并不影响他人。只有当哲学家饥饿时,才试图拿起左、右两根筷子(一根一根地拿起)。如果筷子已在他人手上,则需等待。饥饿的哲学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐,当进餐完毕后,放下筷子继续思考。

➢ 问题分析

1.关系分析。系统中有5个哲学家进程,5位哲学家与左右邻居对其中间筷子的访问是互斥关系。
2. 整理思路。这个问题中只有互斥关系,但与之前遇到的问题不同的事,每个哲学家进程需要同时
持有两个临界资源才能开始吃饭。如何避免临界资源分配不当造成的死锁现象,是哲学家问题的精髓。
3. 信号量设置。定义互斥信号量数组chopstick[5]={1,1,1,1,1}用于实现对5个筷子的互斥访问。并对哲学家按0~4编号,哲学家i左边的筷子编号为i,右边的筷子编号为(i+1)%5。
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➢ 如何实现

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