经典进程同步问题

1 ）生产者—消费者问题（合作互斥）
- 1）利用记录型信号量解决
- 2）利用AND型信号量解决
2）哲学家进餐问题（资源耗尽，避免死锁）
- 1）利用记录型信号量解决
- 2）利用AND型信号量解决
3）读者—写者问题（互斥问题）
- 1）记录型信号量解决（写者优先）
- 2）利用信号量集解决有限同时读
- 3）读者—写者写操作优先：
- 4）读者—写者问题公平竞争

1 ）生产者—消费者问题（合作互斥）

是相互合作的进程关系的一种抽象，同时也包含着进程的互斥。

分析：

空缓冲区不为空，生产者才能将生产的数据放入缓冲区中。
满缓冲区不为空，消费者才能从缓冲区中取数据。
为了保证进程同步，生产者与消费者不可以同时访问缓冲区。

1）利用记录型信号量解决

in ；out;//生产者消费者指针
mutex//缓冲池互斥信号量
empty//缓冲池空缓冲区数量
full//缓冲池满缓冲区数量
/*buffer数组是用来表示缓冲区的，而empty和full是用来表示缓冲区
的空闲和使用情况的*/

//生产者
int in=0, out=0;
item buffer[n];
semaphore mutex=1, empty=n, full=0;
void proceducer() {do {producer an item nextp;//生产者生产的产品放入nextp中...wait(empty);//查看有无空闲的缓冲区wait(mutex);//使进程互斥buffer[in] =nextp;//把nextp中的产品送往buffer(in)in :=(in+l) % n;//指针偏移signal(mutex);//释放资源signal(full);//满缓冲区加1}while(TRUE);
}

//消费者
void consumer() {do {wait(full);//查看缓冲区是否有数据wait(mutex);//进程互斥nextc= buffer[out];//从buffer(out)中取出产品放入nextcout =(out+l) % n;//指针偏移signal(mutex);//释放资源signal(empty);//空缓冲区加1consumer the item in nextc;//消费nextp中产品}while(TRUE);
}

void main() {cobeginproceducer(); consumer();coend
}

注意 :

互斥的wait(mutex)和signal(mutex)必须成对地出现；
对资源信号量empty和full的wait和signal操作，同样需要成对地出现，但它们分别处于不同的程序中。
每个程序中的多个wait操作顺序不能颠倒。应先执行对资源信号量的wait操作，然后再执行对互斥信号量的wait操作，否则可能引起进程死锁。

2）利用AND型信号量解决

即同时实现wait(empty)与wait(mutex)操作，与实现signal(mutex)与signal(full)操作。

Swait(empty, mutex) 代替 wait(empty)和 wait(mutex);
Ssignal(mutex, full) 代替 signal(mutex)和 signal(full);
Swait(full, mutex) 代替 wait(full)和 wait(mutex)
Ssignal(mutex, empty) 代替Signal(mutex)和Signal(empty)

代码如下：

int in=0, out=0;
item buffer[n];
semaphore mutex=1, empty=n, full=0;
void proceducer() {do {producer an item nextp;Swait(empty, mutex);buffer[in] =nextp;in :=(in+1) % n;Ssignal(mutex, full);}while(TRUE);
}void consumer() {do {Swait(full, mutex);nextc= buffer[out];out =(out+l) % n;Ssignal(mutex, empty);consumer the item in nextc;}while(TRUE);
}

2）哲学家进餐问题（资源耗尽，避免死锁）

临界资源的使用，避免死锁状况的产生。

解决方法 :

记录型信号量：至多只允许有四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,并在用毕时能释放出他用过的两只筷子, 从而使更多的哲学家能够进餐。
AND型信号量：仅当哲学家的左、右两只筷子均可用时,才允许他拿起筷子进餐。
数学方法：规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子,然后再去拿右边的筷子;而偶数号哲学家则相反。按此规定,将是1、 2号哲学家竞争1号筷子； 3、 4号哲学家竞争3号筷子。即五位哲学家都先竞争奇数号筷子，获得后，再去竞争偶数号筷子，最后总会有一位哲学家能获得两只筷子而进餐。

1）利用记录型信号量解决

//以第i位哲学家举例
semaphore chopstick[5]={ 1, 1, 1, 1, 1};
do {wait(chopstick[i]);wait(chopstick[(i+1)%5]);//eatsignal(chopstick[i]);signal(chopstick[(i+l)%5]);//think
}while[TRUE];

2）利用AND型信号量解决

semaphore chopstick chopstick[5]={ 1, 1, 1, 1, 1);
do {...//thinkSswait(chopstick[(i+1)%5], chopstick[i]);//eatSsignal(chopstick[(i+1)%5], chopstick[i]);
}while[TRUE];

3）读者—写者问题（互斥问题）

互斥进程的管理：

分析：

允许多个读者同时执行读操作
不允许读者、写者同时操作
不允许多个写者同时操作

1）记录型信号量解决（写者优先）

读进程只要看到有其他读进程正在访问文件，就可以继续作读访问；写进程必须等待所有读进程都不访问时才能写文件，即使写进程可能比一些读进程更早提出申请。所以以上解法实际是读者优先的解法。

wmutex//读写互斥
readcount//读进程数目
rmutex//读进程计数


semaphore rmutex= 1， wmutex= 1;
int readcount=0;//读进程
void reader() {do {wait(rmutex);//申请读，对读数更改if (readcount==0) wait(wmutex);/*第一个进入进行检验，防止正在写的情况*/readcount++;signal(rmutex);//释放读...perform read operation;...wait(rmutex);//申请读，对读数更改readcount--;//读者数减1if (readcount==0) signal(wmutex);//最后一个离开，唤醒写进程signal(rmutex);//释放读}while(TRUE);
}

//写进程
void writer()
{do {wait(wmutex);//申请写互斥信号量perform write operation;signal(wmutex);//释放信号量}while(TRUE);
}

void main(){cobeginreader(); writer();coend
}

2）利用信号量集解决有限同时读

允许RN个读者同时执行读操作
不允许读者、写者同时操作
不允许多个写者同时操作

int RN;
semaphore L=RN, mx=1;
void reader()
{do {Swait(L, 1, 1);//L，下限为1，需求量为1Swait(mx, 1, 0);/*互斥信号量，下限为1，需求为0，当有写时mx为0，读失败*/...perform read operation;...Ssignal(L, 1)；//释放资源}while(TRUE);
}

void writer()
{do {Swait(mx, 1, 1； L, RN, 0);/*既无writer写（mx=1),也无reader读（L=RN），writer进入临界区写*/perform write operation;Ssignal(mx, 1);}while(TRUE);
}

3）读者—写者写操作优先：

每个读进程最开始都要申请一下S信号量，之后在真正做读操作前即让出(使得写进程可以随时申请到 S)。而只有第一个写进程需要申请 S，之后就一直占着不放了，直到所有写进程都完成后才让出。等于只要有写进程提出申请就禁止读进程排队，变相提高了写进程的优先级。

semaphore rmutex=1，wmutex= 1, S=1, w=1;
int Readcount=0, Writecount=0;//读进程
void reader() {do {wait(S);//对读进程加以限制wait(rmutex);//读计数if(Readcount=0)wait(wmutex);//在无读者的情况下检验是否在写Readcount++;//读者数加1signal(rmutex);//释放读计数signal(S);//加以限制...perform read operation;...wait(rmutex);Readcount--;if(Readcount=0)signal(wmutex);//最后一个；离开唤醒写进程signal(rmutex)}while(TRUE);
}


void writer{do {wait(w);if(Writecount=0)wait(S);//此时新的读者无法再进入读Writecount++;siganl(w);wait(wmutex);//写进程被唤醒后进行写操作...perform write operation;//此时一直占据着信号量S，写进程一旦进入则顺序执行...signal(wmutex);wait(w);Writecount--;if(Writecount=0)signal(S);//当所有写进程完成才归还信号量，读者可以再次进入临界区siganl(w);
}while(TRUE);
}

4）读者—写者问题公平竞争

方法相同，读写排队，谁先到拿到S,谁先操作。

void reader() {do {wait(S);//对读进程加以限制wait(rmutex);//读计数if(Readcount=0)wait(wmutex);//在无读者的情况下检验是否在写Readcount++;//读者数加1signal(rmutex);//释放读计数signal(S);//加以限制...perform read operation;...wait(rmutex);Readcount--;if(Readcount=0)signal(wmutex);//最后一个；离开唤醒写进程signal(rmutex)}while(TRUE);
}

void writer(){while(1){wait(S);//读写同时排队，谁先来谁先用wait(wmutex);signal(S);...perform write operation...signal(wmutex);}
}

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