[OS]利用信号量实现进程同步与互斥
PV操作问题分析步骤
1.关系分析。找出题目中描述的各个进程,分析它们之间的同步、互斥关系。
2.整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序。
经典问题
1.生产者-消费者问题
描述
系统中有一组生产者进程和一组消费者进程,生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区,消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。(注:这里的“产品”理解为某种数据)
条件分析
生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。
只有缓冲区没满时,生产者才能把产品放入缓冲区,否则必须等待。
只有缓冲区不空时,消费者才能从中取出产品,否则必须等待。
缓冲区是临界资源,各进程必须互斥地访问。
思路
*颠倒相邻P操作顺序会出现死锁 V操作顺序可以颠倒
2.多生产者-多消费者问题
描述
桌子上有一只盘子,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,儿子专等着吃盘子中的橘子,女儿专等着吃盘子中的苹果。只有盘子空时,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水果。
条件分析
互斥关系：
对缓冲区(盘子)的访问要互斥地进行
同步关系(一前一后)：
1.父亲将苹果放入盘子后,女儿才能取苹果
2.母亲将橘子放入盘子后,儿子才能取橘子
3.只有盘子为空时,父亲或母亲才能放入水果
*“盘子为空”这个事件可以由儿子或女儿触发,事件发生后才允许父亲或母亲放水果
思路
*这里要注意如果缓冲区为1，有可能可以不需要设置mutex互斥信号量，但若缓冲区大于1，必须设置以防止同时访问导致数据覆盖
3.吸烟者问题
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,但是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,并给供应者进程一个信号告诉完成了,供应者就会放另外两种材料再桌上,这个过程一直重复(让三个抽烟者轮流地抽烟)
条件分析
本质上这题也属于“生产者消费者”问题,更详细的说应该是“可生产多种产品的单生产者一多消费者”。
桌子可以抽象为容量为1的缓冲区，要互斥访问。
组合一:纸+胶水；组合二:烟草+胶水；组合三:烟草+纸。
同步关系(从事件的角度来分析)：
桌上有组合一→第一个抽烟者取走东西；
桌上有组合二→第二个抽烟者取走东西；
桌上有组合三→第三个抽烟者取走东西；
发出完成信号→供应者将下一个组合放到桌上。
思路
4.读者写者问题
描述
有读者和写者两组并发进程,共享一个文件,当两个或两个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任一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。
条件分析
两类进程:写进程、读进程。
互斥关系:写进程一写进程、写进程一读进程。
读进程与读进程不存在互斥问题。
思路
*可增加信号量实现写优先(防止写进程饥饿)，如下
5.哲学家进餐问题
描述
一张圆桌上坐着5名哲学家,每两个哲学家之间的桌上摆一根筷子,桌子的中间是一碗米饭。哲学家们倾注毕生的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)。如果筷子已在他人手上,则需等待。饥饿的哲学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐,当进餐完毕后,放下筷子继续思考。
条件分析
1.关系分析:系统中有5个哲学家进程,5位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:这个问题中只有互斥关系,但与之前遇到的问题不同的事,每个哲学家进程需要同时持有两个临界资源才能开始吃饭。如何避免临界资源分配不当造成的死锁现象,是哲学家问题的精髓。
3.信号量设置:定义互斥信号量数组chopstick[5]={1,1,1,1,1}用于实现对5个筷子的互斥访问。并对哲学家按0~4编号,哲学家i左边的筷子编号为i,右边的筷子编号为(i+1)%5。
如何防止死锁的发生呢?
①可以对哲学家进程施加一些限制条件,比如最多允许四个哲学家同时进餐。这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的。
②要求奇数号哲学家先拿左边的筷子,然后再拿右边的筷子,而偶数号哲学家刚好相反。用这种方法可以保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭,那么只会有其中一个可以拿起第一只筷子,另一个会直接阻塞。这就避免了占有一支后再等待另一只的情况。
思路
