操作系统5————进程同步的经典问题：司机售票员&问题生产者消费者问题&哲学家进餐问题&读者写者问题
一. 目录
二. 信号量的简单应用
1. 使用信号量实现互斥
思路：设mutex为互斥信号量，其初值为1，取值范围为(-1,0,1)。当mutex=1时，表示两个进程皆未进入需要互斥的临界区，当mutex=0时，表示有一个进程进入临界区。另一个必须等待，挂入阻塞队列。当muntex=-1时，表示有一个进程因等待而阻塞在信号量队列，需要被当前已在临界区运行的进程推出是唤醒
代码描述
semaphore mutex = 1;
pA(){
while(1){
wait(mutex);
临界区
signal(mutex);
剩余区
}
}
PB(){
while(1){
wait(mutext);
临界区;
signal(mutex);
剩余区
}
}2. 使用信号量实现前驱关系
问题: 现在有进程P1和P2，P1有语句S1，P2有语句S2，我们希望执行完S1后在执行S2。
思路: 我们只需要在进程P1和P2之间共享一个公用信号量S，并且赋其初值为0，将signal(S)操作放在语句S1后，而把S2语句前面插入Wait(S)操作。
伪代码：
在进程P1中： S1； signal(S);
在进程P2中：wait(S);s2;三. 司机售票员问题
1. 问题描述
公共汽车上。司机和售票员的活动分别如下：
司机的活动：启动车辆，正常行车，到站停车.
售票员的活动： 关车门，售票，开车门。
2. 思路
分析可知。售票员和司机的4个活动存在前后关系。即关车门–>启动汽车。到站停车–>开车门。所以用两个信号量s1,s2分别来控制两组前后关系.
3. 使用记录型信号量解决问题
伪代码
semaphore s1 = 1,s2 = 1;
//司机
void driver(){
signal（s1）
启动车辆
正常行驶
到站停车
wait(s2)
}
void conductor(){
关车门
wait(s1)
售票
signal（s2）
开门
}四. 生产者消费者(缓存绑定问题)问题
1. 问题描述
有两个进程：一组生产者进程和一组消费者进程共享一个初始为空、固定大小为n的缓存（缓冲区）。生产者的工作是制造一段数据，只有缓冲区没满时，生产者才能把消息放入到缓冲区，否则必须等待，如此反复; 同时，只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出消息，一次消费一段数据（即将其从缓存中移出），否则必须等待。由于缓冲区是临界资源，它只允许一个生产者放入消息，或者一个消费者从中取出消息。
2. 思路
问题的核心是：
- 要保证不让生产者在缓存还是满的时候仍然要向内写数据;
- 不让消费者试图从空的缓存中取出数据。
生产者和消费者对缓冲区互斥访问是互斥关系，同时生产者和消费者又是一个相互协作的关系，只有生产者生产之后，消费者才能消费，他们也是同步关系。
3. 使用信号量解决问题
说明:
假定在生产者和消费者之间的公用缓存池具有n个缓冲区，这时候可利用互斥信号量mutex来实现诸进程对缓存池的互斥利用；利用信号量的empty和full分别表示缓存池中空缓存区和满缓存区的数量。
伪代码描述：
int in=0,out=0;
item buffer[n];
semaphore mutex =1,empty = n,full = 0;
//生产者
void producer(){
do{
producer an item nextp;
···
wait(empty); //询问是否有空缓存区
wait(mutex); //互斥访问
buffer[in] = nextp;
in = (in+1)%n;
signal(mutex);//解除互斥访问
signal(full); //释放一个满缓存区，满缓存+1
}while(TRUE)
}
//消费者
void consumer(){
do{
wait(full);
wait(mutex);
nextc = buffer[out];
out = (out+1) %n;
signal(mutex);
signal(empty);
}while(TRUE)
}当然也可以使用AND信号量解决问题：即用Swait(empty,mutex)来代替wait(empty);wait(mutex); 用Ssignal(mutex,full)来代替signal(mutex)和signal(full);
五. 哲学家进餐问题
1. 问题描述
有五个哲学家公用一张圆桌，分别坐在周围的五个椅子上，在圆桌上有五个碗和五只筷子，他们的生活方式就是交替的进行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿是便试图取其左右最靠近他的筷子，只有在他同时拿到两只筷子时才能进餐。进餐毕，放下筷子继续思考
2. 思路
分析可知，筷子是临界资源，在一段时间内只允许一位哲学家使用，为了实现对筷子的互斥使用，为了实现对筷子的互斥使用，可以用一个信号量表示一只筷子，由这五个信号量构成信号量数组。
3. 使用记录型信号量解决问题
伪代码
semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};
//第i位哲学家的活动可描述为：
do{
wait(chopstick[i]);
wait(chopstick[(i+1)%5]);
···
//eat
···
signal(chopstick[i]);
signal(chopstick[(i+1)%5];
···
//think
···
}while(TRUE)4.分析
上面的解法虽然保证了相邻的哲学家不会同时进餐，但可能会导致死锁问题，比如说，当5个哲学家同时饥饿而去拿左边的筷子是，就会发生死锁。
避免死锁的方法：
- 至多只允许有4位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少有一位哲学家能够进餐。
- 仅当哲学家左右两只筷子同时可用时，才允许他拿起筷子进餐。、
- 规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿他右边的筷子，而偶数号哲学家则相反
六. 读者写者问题
1. 问题描述
一个数据文件可以被多个文件共享，我们把只要求读文件的进程称为 “Reader进程”，其他进程则称为“Writer进程”。允许多个进程读一个文件，但不允许一个Writer进程和其他Reader进程或者Writer进程同时访问共享。
2. 思路
由题意可知，读者之间不互斥，写者之间互斥，写者和读者之间互斥。所以为写者之间，写者和读者之间设置互斥信号量wmutex。在设置一个整形变量readcount表示读进程的进程数目。当readcount=0时，才允许写者运行·。对于读者而言readcount是一个可被多个读者访问的临界资源。因此，也应该为它设置一个互斥信号量rmutex。
3. 使用记录型信号量解决问题
伪代码
semaphore rmutex = 1,wmutex = 1;
int readcount = 0;
void reader(){
do{
wait(rmutex);
if(readcount==0) wait(wmutex);
readcount++;
signal(rmutex);
···
perform read operation;
···
wait（rmutex）；
if(readcount==0) signal(wmutex);
readcount--;
signal(rmutex);
}while(TRUE);
}
void writer(){
do{
wait(wmutex);
perfrom write operation;
signal(wmutex);
}while(TRUE);
}七.参考资料
《操作系统第四版》
5个经典的同步问题