PV操作实现进程同步问题

1.设玩具车间生产小组在一个工作台边工作，工作台上有N个位置(N≥3)用于存放车架或车轮，且每个位置只能放一件车架或车轮；又设生产小组有3个工人，其活动分别为:
工人1活动：
do
{加工1个车架；车架放于工作台上；}
while (1)
工人2活动：
do
{加工1个车轮；车轮放于工作台上；}
while (1)
工人3活动：
do
{从工作台上取1车架；从工作台上取2车轮；组装为一辆车；}
while (1)
试用信号量与P、V操作实现三个工人的合作，要求解中不含死锁。
先定义信号量：为防止死锁的发生，工作台中车架的数量不可超过 N-2，车轮的数量不可超过N-1，这些限制可以用两个信号量来表达。
semaphore s1=N-2; semaphore s2=N-1; （2分）
其余信号量：frame=0为车架数量；wheel=0为车轮数量；empty=N为工作台上的空位(2分）
不含死锁的解法如下：在相应位置添加PV操作

工人 1活动：（ 3分）
do {加工1个车架 ;
P(s1); P(empty);
车架放入工作台中 ; V(frame);
} while (1)
工人 2活动：（ 3分）
do {加工1个车轮 ;P(s2);P(empty);车轮放入工作台中 ;  V(wheel);
} while (1)
工人 3活动：（6分）
do {P(frame);
从工作台中取1车架 ;
V(empty); V(s1);
P(wheel); P(wheel);
从工作台中取2车轮 ;
V(empty); V(empty);
V(s2); V(s2);组装为1台车 ;
} while (1)

2.某银行提供一个服务窗口和10个供顾客等待的座位。顾客到达银行时，若有空座位，则到取号机上领取一个号，等待叫号。取号机每次仅允许一个顾客使用。当营业员空闲时，通过叫号选取一位顾客，并为其服务。顾客及营业员的活动描述如下：
cobegin
{ process 顾客
{
从取号机获取一个号码；
等待叫号；
获得服务；
}
process 营业员
{
while（TRUE）
{
叫号；
为顾客服务；
}
}
}coend
请添加必要的信号量和P、V（或wait（）、signal（））操作，实现上述过程中的互斥与同步。要求写出完整的过程，说明信号量的含义并赋初值。

semaphore mutex=1;   //互斥使用取号机
semaphore empty=10;     //空座位的数量
semaphore full=0;     //已占座位的数量，必须大于0营业员才可以开始服务
semaphore service=0;        //等待叫号
cobegin
{process 顾客i
{P(empty);   P(mutex);
从取号机获得一个号;
V(mutex);
V(full);
P(service);           // 等待叫号
}
process 营业员
{while(TRUE)
{P(full);V(empty);V(service);          //叫号为顾客服务;}
}
}
coend

3.多个进程共享一个文件，其中只读文件的称为读者，只写文件的称为写者。读者可以同时读，但写者只能独立写。试（1）用P、V操作写出其同步算法。（2）修改上述的同步算法，使得它对写者优先，即一旦有写者到达，后续的读者必须等待。
一个读者进程发现有其它读者在读时，不用对write进行PV操作
（1）

semaphore  mutex=1;            4分
semaphore  write=1;
int count=0;
main()
{    cobeginreader();writer();coend  }
reader()
{    while(true){   p(mutex); //mutex是对count上锁，对count进行加减前需要P操作，加减后需要V操作if(count==0) p(write);        count ++;v(mutex);读文件;p(mutex);count -- ;if (count==0) v(write);v(mutex);    }   }
writer()
{    while(true){   p(write);写文件;v(write);    }   }

（2）6分：

semaphore  mutex=1;
semaphore  write=1;
semaphore  s=1;  //设为1
int count=0;
main()
{    cobeginreader();writer();coend  }
reader()
{    while(true){   p(s);p(mutex);if(count==0) p(write);count ++;v(mutex);v(s);读文件;p(mutex);count -- ;if(count==0) v(write);v(mutex);    }   }
writer()
{    while(true){   p(s);p(write);写文件;v(write);v(s);    }   }

4.利用 P、V 原语，形式化或非形式化地描述下列进程的动作序列。（ 8 分）进程 P 使用缓冲区 B 向 m 个进程 Q1、Q2、…、Qm 发送消息，要求每当 P 向 B 中发送一条消息，只有当所有的进程 Q（=1，2，…,m，）都读取这条消息后，P 才向 B 中发送新的消息。

设 s 为缓冲区的用信号量，初值为 s=1；
设 s1 表示缓冲区是否有空间存放消息，初值为 s1=1；
设一个信号量数组 T[i]（I=1,2,…m），初值为 T[i]=0；（表示 Qi 是否有消息可读）
设一个计数器 R（初值为 0）用来统计读取消息的进程数目

P 进程：
P(s1)
P(s)
存放消息至缓冲区
R=m
FOR i=1 to m do V(T[i])
V(s)

Q进程：
P(T[i])
P(s)
取得该消息R=R-1 IF  R=0  then  V(s1)V(s)

因为Q1~Qm都不同，所以不能简单用一个计数器，还要设置一个信号量数组
给计数器R上锁？

5.在读者写者问题中，读者优先策略使得后到达的读者可能先于写者访问数据文件，那么如何为写者进行改进，而使其不会出现饥饿的现象呢？这里增加了一个排序队列queue，所有读者写者都需在此队列排队，然后依次访问数据文件，即公平竞争。请填充写者程序中空白处的wait和signal操作。

Semaphore fmutex=1, rdcntmutex=1, queue=1;   int readcount = 0;
//fmutex --> access to file; rdcntmutex --> access to readcount
void reader(){while(1){wait(queue);wait(rdcntmutex);if(0 == readcount)wait(fmutex);readcount = readcount + 1;signal(rdcntmutex);signal(queue);//Do read operation ...wait(rdcntmutex);readcount = readcount - 1;if(0 == readcount)signal(fmutex);signal(rdcntmutex);}
}   void writer(){while(1){（1） wait (queue)   ;（2） wait (fmutex)   ;（3） signal (queue)   ;//Do write operation ...（4） signal (fmutex)   ;}
}

6.一座最多只能承受两个人的小桥横跨南北两岸，任意时刻同一方向只允许一人过桥，南侧桥段和北侧桥桥段较窄只能通过一人，桥中央一处宽敞，允许两个人通过或歇息。试用信号量和P、V原语写出南、北两岸过桥的同步算法。
因为南北两侧桥段都只能一人通过，所以要分别设两个信号量，通过之前都要P一下，通过之后V一下

Semaphore load=2;  //定义初值1分
//也可以设两个信号量fromsouth, fromnorth都为1,代表从一个方向过桥的人数
Semaphore north=1;
Semaphore south=1;
main()
{  cobegintosouth();    tonorth();     1分coend  }
tosouth()   2分
{P(load);
P(north);
走过桥北半段到桥中央；
V(north);
P(south)
走过桥南半段；
V(south);
V(load);
}
tonorth()          2分
{P(load);
P(south);
走过桥南半段到桥中央；
V(south);
P(north)
走过桥北半段；
V(north);
V(load);
}

7.独木桥问题。某条河上只有一座独木桥，以便行人过河。现在河的两边都有人要过桥，按照下面的规则过桥。为了保证过桥安全，请用P、V操作分别实现正确的管理。
过桥的规则是：同一方向的可连续过桥，某方向有人过桥时另一方向的人要等待。
本题中使用三个信号量：
mutexl、mutexr用于互斥访问共享变量countl及countr，初值均为1。
wait用于申请过桥，初值也为1。
同步算法描述如下：

semaphore mutexl=1；
semaphore mutexr=1；
semaphore wait=1；
int countl=0；
Int countr=0；
main()
{ cobeginpassl()；passr()；coend}
passl()
{  P（wait）；   P（mutexl）；countl++；if（countl==1）P（mutexr）；V（mutexl）；   V（wait）；过河；P（mutexl）；    countl- -；if（countl==0）V（mutexr）；V（mutexl）；}
passr()
{  P（wait）；   P（mutexr）；countr++；if（countr==1）P（mutexl）；V（mutexr）；   V（wait）；过河；
P（mutexr）；countr- -；if（countr==0）V（mutexl）；V（mutexr）；}

8.一个快餐厅有4 类职员：①领班：接受顾客点菜；②厨师：准备顾客的饭菜；③打包工：将做好的饭菜打包；④出纳员：收款并提交食品。每个职员可被看作一个进程，试用一种同步机制写出能让四类职员正确并发运行的程序。
本题中使用4个信号量：
S1表示是否可以开始点菜，初值为1
S2表示是否可以开始做菜，初值为0
S3表示是否可以开始打包，初值为0
S4表示是否可以提交食品，初值为0
同步算法描述如下：

semaphore S1=1；
semaphore S2=0；
semaphore S3=0；
semaphore S4=0；
main()
{ cobeginLB（）；CS（）；DBG（）；CNY（）；coend}
LB()
{   while(true){顾客到达；p(S1)；接受顾客点菜；v(S2)；}     }
CS()
{   while(true){p(S2)；准备顾客的饭菜；v(S3)；}     }
DBG()
{   while(true){p(S3)；打包顾客的饭菜；v(S4)；}     }
CNY()
{   while(true){p(S4)；   收款并提交食品；v(S1)；}     }

9.设公共汽车上，司机和售票员的活动分别如下：
①司机的活动：启动车辆：正常行车；到站停车。
②售票员的活动：关车门；售票；开车门。
在汽车不断地到站、停车、行驶过程中，这两个活动有什么同步关系？用信号量和P、V 操作实现它们的同步。
在本题中，应设置两个信号量：s1、s2，
s1表示是否允许司机启动汽车，其初值为0；
s2表示是否允许售票员开门，其初值为0。
用P、V原语描述如下：

semaphore s1=0;
semaphore s2=0;
main( )
{cobegindriver( );busman( );
coend
}
driver( )
{  while (true){p(s1);启动车辆;正常行车;到站停车;v(s2);   }
}
busman( )
{   while(true){关车门;v(s1);售票;p(s2);开车门;上下乘客;  }
}

10.有一只铁笼子，每次只能放入一只动物。猎手向笼中放入老虎，农民向笼中放入猪；动物园等待取笼中的老虎，饭店等待取笼中的猪。请用P、V原语写出这四个进程同步执行的程序。
在本题中，应设置三个信号量
信号量Scage表示笼子是否为空，其初值为1 （实现互斥）
信号量Spig表示笼中是否有猪，其初值为0 （实现同步）
信号量Stiger表示笼中是否有老虎，其初值为0
同步描述如下：

semaphore  Scage＝1；
semaphore  Stiger＝0；
semaphore  Spig＝0；
main( )
{  cobeginhunter( )；peasant( )；hotel( )；zoo（ ）；coend    }
hunter( )
{     while (true ){┆p(Scage)；将老虎放入笼中；v(Stiger)；}   }
peasant( )
{     while (true ){┆p(Scage)；将猪放入笼中；v(Spig)；}    }
hotel(  )
{     while( true ){p(Spig)；从笼中取出猪；v(Scage)；┆}    }
zoo( )
{     while( true ){p(Stiger)；从笼中取出老虎；v(Scage)；┆}   }

11.今有三个并发进程R、M、P，它们共享了一个可循环使用的缓冲区B，缓冲区B共有N个单元。进程R负责从输入设备读信息，每读一个字符后，把它存入到缓冲区B的一个单元中；进程M负责处理读入的字符，若发现读入的字符中有空格符，则把它改成“，”；进程P负责把处理后的字符取出并打印输出。当缓冲区单元中的字符被进程P取出后，则又可用来存放下一次读入的字符。请用P、V操作为同步机制写出它们能正确并发执行的程序。
在本题中，应设置四个信号量mutex、empty、full1、full2。
mutex用于实现对缓冲区的互斥访问，其初值为1；
empty表示缓冲区中可用单元数目，其初值为N；
full1表示已读入字符个数，其初值为0；full2表示已处理字符个数，其初值为0。
为了描述方便起见，还应设置三个指针in、out1、out2，
in指向下一个可用缓冲单元，
out1指向下一个待处理字符，
out2指向下一个待输出字符。

semaphore  empty=N；semaphore  full1=0；
semaphore  full2=0；semaphore  mutex=1；
char buffer[N]；
int in=0,out1=0,out2=0；
main()
{  cobeginR()；M()；P()；coend     }
R()
{   while(true){  char x；读入一个字符到x；p(empty)；p(mutex)；buffer[in]=x；in=(in+1)% N；v(mutex)；v(full1)；}     }
M()
{    char x；while(true){  p(full1)；p(mutex)；x=buffer[out1]；if (x==" ")  {   x=“,”；buffer[out1]=x；   }out1=(out1+1)% N；v(mutex)；v(full2)；}    }
P()
{  char x；while(true){ p(full2)；p(mutex)；x=buffer[out2]；out2=(out2+1)% N；v(mutex)；v(empty)；输出字符x；}     }

12.下图给出了5个进程合作完成某一任务的前趋图，试用P、V操作描述它。

semaphore  f1=f2=f3=f4=0;   1分
main()
{  cobeginS1();    S2();    S3();    S4();    S5();     1分coend  }
S1()                                      下面共8分
{    执行代码；v(f1);v(f1);
}
S2()
{    执行代码；v(f2);
}
S3()
{    p(f1);执行代码；v(f3);
}
S4()
{    p(f1);p(f2);执行代码；v(f4);}
S5()
{    p(f3);p(f4);执行代码；}

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