PV操作解决经典进程同步问题

一.经典同步问题

在学习《操作系统》时，会接触到进程的概念，其中不可避免的接触到进程同步问题，今天我们用熟悉的PV操作解决一些经典的进程同步问题。

二.生产者-消费者问题

1.问题描述

问题描述：一组生产者进程和一组消费者进程共享一个初始为空、大小为n的缓冲区，只有缓冲区没满时，生产者才能把消息放入缓冲区，否则必须等待;只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出消息，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，或一个消费者从中取出消息。

2.问题分析

• 1)关系分析。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，它们也是同步关系。
• 2)整理思路。这里比较简单，只有生产者和消费者两个进程，正好是这两个进程存在着互斥关系和同步关系。那么需要解决的是互斥和同步PV操作的位置。
• 3)信号量设置。信号量mutex 作为互斥信号量，用于控制互斥访问缓冲池，互斥信号量初值为1;信号量full用于记录当前缓冲池中的“满”缓冲区数，初值为0。信号量empty用于记录当前缓冲池中的“空”缓冲区数，初值为n。

3.PV描述

生产者-消费者进程的描述如下:

semaphore mutex=1 ;            //临界区互斥信号量
semaphore empty=n;             //空闲缓冲区
semaphore full=0;              //缓冲区初始化为空producer() {                  //生产者进程while (1) {produce an item in nextp;      //生产数据P (empty); (要用什么， p一下)    //获取空缓冲区单元P (mutex); (互斥夹紧)           //进入临界区add nextp to buffer; (行为)    //将数据放入缓冲区V (mutex) ;(互斥夹紧)           //离开临界区，释放互斥信号V(full); (提供什么， V一下)      //满缓冲区数加1}
}consumer() {                         //消费者进程while(1) {P (full) ;                   //获取满缓冲区单元P (mutex) ;                         //进入临界区remove an item from buffer;        //从缓冲区中取出数据V (mutex) ;                        //离开临界区，释放互斥信号量V (empty) ;                        //空缓冲区数加1consume the item;                  //消费数据}
}

三.复杂生产者-消费者问题

1.问题描述

问题描述：桌子上有一个盘子，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，儿子专等吃盘子中的橘子，女儿专等吃盘子中的苹果。只有盘子为空时，爸爸或妈妈才可向盘子中放-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。

2.问题分析

1）关系分析。这里的关系要稍复杂一些。由每次只能向其中放入一只水果可知，爸爸和妈妈是互斥关系。爸爸和
女儿、妈妈和儿子是同步关系，而且这两对进程必须连起来，儿子和女儿之间没有互斥和同步关系，因为他们是选择条件执行，不可能并发，如图所示。

2）整理思路。这里有4个进程，实际上可抽象为两个生产者和两个消费者被连接到大小为1的缓冲区上。

3）信号量设置。首先将信号量plate 设置互斥信号量，表示是否允许向盘子放入水果，初值
为1表示允许放入，且只允许放入一个。信号量apple表示盘子中是否有苹果，初值为0
表示盘子为空，不许取，apple= 1表示可以取。信号量orange表示盘子中是否有橘子，
初值为0表示盘子为空，不许取，orange= 1表示可以取。

3.PV描述

解决该问题的代码如下:

semaphore plate=1, apple=0, orange=0;dad() {           //父亲进程while(1) {prepare an apple;P (plate) ;							//互斥向盘中取、放水果put the apple on the plate;			//向盘中放苹果V(apple) ;							//允许取苹果}
}mom() {			//母亲进程while (1) {prepare an orange;P(plate) ;							//互斥向盘中取、放水果put the orange on the plate;		//向盘中放橘子V (orange) ;						//允许取橘子}
}son() {			//儿子进程while (1) {P (orange) ;						//互斥向盘中取橘子take an orange from the plate;V(plate) ;							//允许向盘中取、放水果eat the orange;}
}daughter() {	//女儿进程while(1) {P (apple) ;							// 互斥向盘中取苹果take an apple from the plate;V(plate) ;							//允许向盘中取、放水果eat the apple ;}
}

四.读者-写者问题

1.问题描述

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任意一 个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。

2.问题分析

1)关系分析。由题目分析读者和写者是互斥的，写者和写者也是互斥的，而读者和读者不存在互斥问题。

2)整理思路。两个进程，即读者和写者。写者是比较简单的，它和任何进程互斥，用互斥信号量的P操作、V操作即可解决。读者的问题比较复杂，它必须在实现与写者互斥的同时，实现与其他读者的同步，因此简单的一对P操作、V操作是无法解决问题的。这里用到了一个计数器，用它来判断当前是否有读者读文件。当有读者时，写者是无法写文件的，此时读者会一直占用文件， 当没有读者时，写者才可以写文件。同时，这里不同读者对计数器的访问也应该是互斥的。

3)信号量设置。首先设置信号量count为计数器，用于记录当前读者的数量，初值为0;设置mutex为互斥信号量，用于保护更新count变量时的互斥;设置互斥信号量rw,用于保证读者和写者的互斥访问。

3.PV描述

代码如下：

int count=0;						//用于记录当前的读者数量
semaphore mutex=1 ;					//用于保护更新count变量时的互斥
semaphore rw=1;						//用于保证读者和写者互斥地访问文件writer(){while(1) {P (rw) ;					//互斥访问共享文件writing;					//写入V (rw) ;					//释放共享文件}
}reader () {							//读者进程while(1) {P (mutex) ;					//互斥访问count变量if (count==0)				//当第一个读进程读共享文件时P (rw) ;				//阻止写进程写count++ ;					//读者计数器加1V (mutex) ;					//释放互斥变量countreading;					//读取P (mutex) ;					//互斥访问count变量count-- ;					//读者计数器减1if (count==0)				//当最后一一个读进程读完共享文件V(rw) ;					//允许写进程写V (mutex) ;					//释放互斥变量count}
}

五.哲学家进餐问题

1.问题描述

问题描述：一张圆桌边 上坐着5名哲学家，每两名哲学家之间的桌上摆一根筷子， 两根筷子中间是一碗米饭。哲学家们倾注毕生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)。若筷子已在他人手，则需要等待。饥饿的哲学家只有同时拿到了两根筷子才可以开始进餐，进餐完毕后，放下筷子继续思考。

2.问题分析

1)关系分析。5名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。显然，这里有5个进程。本题的关键是如何让一名哲学家拿到左右两根筷子而不造成死锁或饥饿现象。解决方法有两个:一是让他们同时拿两根筷子;二是对每名哲学家的动作制定规则，避免饥饿或死锁现象的发生。

3)信号量设置。定义互斥信号量数组chopstick[5]={1,1,1,1,1},用于对5个筷子的互斥访问。哲学家按顺序编号为0~4，哲学家i左边筷子的编号为i,哲学家右边筷子的编号为(i + 1)%5。

3.PV描述

为防止死锁发生，可对哲学家进程施加一些限制条件， 比如至多允许4名哲学家同时进餐;仅当一名哲学家左右两边的筷子都可用时，才允许他抓起筷子;对哲学家顺序编号，要求奇数号哲学家先拿左边的筷子，然后拿右边的筷子，而偶数号哲学家刚好相反。制定的正确规则如下:假设采用第二种方法，当一名哲学家左右两边的筷子都可用时，才允许他抓起筷子。

semaphore chopstick[5]={1,1,1,1,1};			 //初始化信号量
semaphore mutex=1 ;							//设置取筷子的信号量Pi(){										//i号哲学家的进程do {P (mutex) ;							//在取筷子前获得互斥量P (chopstick[i]) ;					//取左边筷子P (chopstick[ (i+1)85]) ;			//取右边筷子V (mutex) ;							//释放取筷子的信号量eat;								//进餐V (chopstick[i]) ;					//放回左边筷子V (chopstick[ (i+1)85]) ;			//放回右边筷子think;								//思考} while(l) ;
}

六.吸烟者问题

1.问题描述

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到桌子上，拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它， 并给供应者一个信 号告诉已完成，此时供应者就会将另外两种材料放到桌上，如此重复(让三个抽烟者轮流地抽烟)。

2.问题分析

问题分析:

• 1)关系分析。供应者与三个抽烟者分别是同步关系。由于供应者无法同时满足两个或以上的抽烟者， 三个抽烟者对抽烟这个动作互斥( 或由三个抽烟者轮流抽烟得知)。
• 2)整理思路。显然这里有4个进程。供应者作为生产者向三个抽烟者提供材料。
• 3)信号量设置。信号量offer1, offer2, offer3分别表示烟草和纸组合的资源、烟草和胶水组合的资源、纸和胶水组合的资源。信号量finish用于互斥进行抽烟动作。

3.PV描述

代码如下：

int num=0;				//存储随机数
semaphore offer1=0;		//定义信号量对应烟草和纸组合的资源
semaphore offer2=0;		//定义信号量对应烟草和胶水组合的资源
semaphore offer3=0;		//定义信号量对应纸和胶水组合的资源
semaphore finish=0;		//定义信号量表示抽烟是否完成process P1() {		//供应者while(1) {num++ ;num=num%3;if (num==0)V(offer1) ;				//提供烟草和纸else if (num==1)V (offer2) ;			//提供烟草和胶水elseV(offer3) ;				//提供纸和胶水任意两种材料放在桌子上;P (finish) ;}
}process P2() {		//拥有烟草者while(1) {P(offer3) ;拿纸和胶水，卷成烟，抽掉;V(finish) ;}
}process P3() {		//拥有纸者while (1) {P(offer2) ;拿烟草和胶水，卷成烟，抽掉;V(finish) ;}
}process P4() {		//拥有胶水者while (1) {P (offerl) ;拿烟草和纸，卷成烟，抽掉;V(finish) ;}
}