经典进程同步与互斥问题（5）

news2024/11/16 4:45:43

经典进程同步与互斥问题

1 生产者-消费者问题

1.1 问题描述

生产者-消费者问题是指有两组进程共享一个环形的缓冲池。一组进程被称为生产者，另一组进程被称为消费者。
缓冲池是由若干个大小相等的缓冲区组成的，每个缓冲区可以容纳一个产品。
生产者进程不断地将生产的产品放入缓冲池，消费者进程不断地将产品从缓冲池中取出。

在生产者-消费者问题中

存在着进程同步问题：当缓冲区满时，表示供大于求，生产者必须停止生产，进入等待状态，同时唤醒消费者；当所有的缓冲区都空时，表示供不应求，消费者必须停止消费，唤醒生产者。
存在着临界区的互斥问题：缓冲池是一个临界资源，必须要等缓冲池里满了，消费者才能取，缓冲池空了，生产者才能生产。所以对于缓冲池的操作是互斥的。

1.2 利用信号量与P,V操作解决生产者-消费者问题。

必须保证先装满再取，取空再装的原则
semaphore mutex =1;
semaphore empty = n;    //缓冲池还剩的空闲位,初始值为n
semaphore full = 0;      //缓冲池的资源数目,因此empty+full=n
int i,j;
ITEM  buffer[n];
ITEM  data_p, data_c;

voidproducer()      //生产者进程
{while(true)
	{produce an item in data_p;
	P(empty);                  //p,v操作实现进程的互斥，必须是成对出现的
	P(mutex);
	buffer[i] = data_p;
	i = (i + 1) % n;
	V(mutex);
	V(full);}
}

voidconsumer()  //消费者进程
{while(true)
	{P(full);
	P(mutex);
	data_c=buffer[j];
	j=(j+1)%n;
	V(mutex);
	V(empty);
	consumetheitemindata_c;}
}

2 读者-写者问题

2.1 问题描述

一个数据对象若被多个并发进程所共享，且其中一些进程只要求读该数据对象的内容，而另一些进程则要求写操作，对此，我们把只想读的进程称为“读者”，而把要求写的进程称为“写者”。
问题描述：

读者可同时读；
读者读时，写者不可写；
写者写时，其他的读者、写者均不可进入。

为了解决该问题，只需要解决“写者与写者”和“写者与第一个读者”的互斥问题。

2.2 用信号量解决读者-写者问题

semaphore Wmutex=1;
读者进程：
while(true)
{
	‘有人要读’P(Wmutex);
	读;
	‘无人读了’V(Wmutex);
}

写者进程：
while(true)
{
	P(Wmutex);
	写;
	V(Wmutex);
}

Semaphore Wmutex,Rmutex=1,1; 
int Rcount;
void reader()/*读者进程*/
{while(true)
	{P(Rmutex);
	if(Rcount==0)P(Wmutex);
	Rcount=Rcount+1;
	V(Rmutex);
	read;/*执行读操作*/
	P(Rmutex);
	Rcount=Rcount-1;
	if(Rcount==0)V(Wmutex);
	V(Rmutex);}
}

voidwriter()  /*写者进程*/
{
while(true){ 
	P(Wmutex);
	write;      
/* 执行写操作*/
	V(Wmutex);
	}
}

3 哲学家进餐问题

3.1 问题描述

五个哲学家，他们的生活方式是交替地思考和进餐。

哲学家们共用一张圆桌，围绕着圆桌而坐，在圆桌上有五个碗和五支筷子，平时哲学家进行思考，饥饿时拿起其左、右的两支筷子，试图进餐，进餐完毕又进行思考。
这里的问题是哲学家只有拿到靠近他的两支筷子才能进餐，而拿到两支筷子的条件是他的左、右邻居此时都没有进餐。
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3.2 用信号量解决哲学家进餐问题

由分析可知，筷子是临界资源，一次只允许一个哲学家使用，因此可以用互斥信号量来实现。

semaphore chopstick[5]={1,1,1,1,1};
void philosopher(inti)/*哲学家进程*/
{while(true){
	P(chopstick[i]);
	P(chopstick[(i+1)%5]);
	eating;     /*进餐*/
	V(chopstick[i]);
	V(chopstick[(i+1)%5]);
	thinking;  /*思考*/}
	}

以上算法虽然解决了相邻两个哲学家不会同时进餐的问题，但如果所有的哲学家总是先拿起左边的筷子，再拿起右边的筷子，那么就会导致死锁。

4 打磕睡的理发师问题

4.1 问题描述

理发店有一名理发师，一把理发椅，还有N把供等候理发的顾客坐的普通椅子。如果没有顾客到来，理发师就坐在理发椅上打磕睡。当顾客到来时，就唤醒理发师。如果顾客到来时理发师正在理发，顾客就坐下来等待。如果N把椅子都坐满了，顾客就离开该理发店去别处理发。
在这里插入图片描述

4.2 用信号量解决打磕睡的理发师问题

#define CHAIRS 5//为等候的顾客准备的座椅数
semaphore customers = 0;
semaphore barners = 0;
semaphore mutex = 1;
int waiting;
void barber()//理发师进程
{
	while(true){
	P(customers);//如果没有顾客，理发师就打磕睡
	P(mutex);//互斥进入临界区
	waiting--;
	V(barners);//理发师准备理发了
	V(mutex);
	cut_hair();//理发
	}
}

void customer ()//顾客进程
{P(mutex);
if(waiting < CHAIRS)//如果有空位，顾客等待
	{waiting++; 
	V(customers);//如果有必要，唤醒理发师
	V(mutex);
	P(barners);  //如果理发师正在理发，则顾客等待
	get_haircut();}
else//如果没有空位，则顾客离开
V(mutex);
}