经典进程同步问题
OS进程同步(信号量典型题)
例题1（北京大学1999年）有一个仓库，可以存放A和B两种产品，仓库的存储空间足够大，但要求：(1)一次只能存人一种产品（(A或B);(2)一N< A产品数量一B产品数量＜M其中，N和M是正整数。
试用“存放A’和‘存放B’以及P操作和V操作描述产品A和产品B的人库过程。
解答：应先将表达式转换成制约条件，不可在程序中直接使用该表达式将表达式分解为：B产品数量—A产品数量<NA产品数量—B产品数量＜M可这样理解：(1)若只放人A产品，而不放入B产品，则A产品最多可放M—1次便被阻塞，即A进程每操作一次就应当将计数器减1（计数器初值为M—1），当计数器值为0时，进程程A被阻塞；每当放入一个B产品，则可令A产品的计数器增加1，表明A产品可以多一次放入产品的机会；同理，(2)若只放人B产品，而不放入A产品，则B产品最多可；放N一1次便被阻塞，即A进程每操作一次就应当将计数器减1（计数器初值为N—1）。
当计数器值为0时，进程B被阻塞；每当放人一个A产品，则可令B产品的计数器增加1，表明B产品可以多一次放入产品的机会。
由此可见，该问题是一个同步控制问题。
又因为一次仅允许一种产品人库，设置信号量mutex控制粮进程互斥访问临界资源（仓库）。
过程如下：beginmutex:＝1;Sa := M-1;Sb := N-1；ParbeginA产品beginrepeatP (Sa)；P (mutex)；A人库；V (mutex)；V (Sb)；Until false;End;B产品beginrepeatP (Sb)；P (mutex)；B人库；V (mutex)；V (Sa)；Until false;End;rend;例题2（华中理工大学1999年试题）设公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：司机：售票员：启动车辆上乘客正常行车关车门到站停车售票开车门下乘客在汽车不断地到站，停车，行驶过程中，这两个活动有什么同步关系？并用信号灯的P, V操作实现它们的同步。
经典进程同步问题
一、利用记录型信号量
解决哲学家进餐问题
假设每一位哲学家拿筷子的方法都是：先 拿起左边的筷子，再拿起右边的筷子，则第i 位哲学家的活动可描述为：
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第i位哲学家的活动可描述为： repeat wait(chopstick[i]); wait(chopstick[i+1] mod 5); …. eat; …. signal(chopstick[i]); signal(chopstick[i+1] mod 5); …. think; until false;
full:=full - 1; if full <0 then block; mutex:=mutex-1; if mutex<0 then block; mutex:=mutex+1; if mutex<=0 then wakeup; empty:=empty+1; if empty<=0 then wakeup;
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Wait操作不能颠倒！！ P：wait(empty) wait(mutex)
C：wait(full) wait(mutex)
如果颠倒 P：wait(mutex) mutexl.value=0 wait(empty) 如果此时缓冲池满empty=－1，P阻塞 C：wait(mutex) mutex.value=－1， C阻塞 wait(full) P阻塞在empty队列中，等待一个空缓冲 C阻塞在mutex队列中，等待公共缓冲池访问权
6
consumer：//消费者进程 begin repeat wait(full); wait(mutex); nextc:=buffer[out]; out∶=(out+1) mod n; signal(mutex); signal(empty); 消费这件产品; until false; end
第10课进程间的制约关系(经典同步问题)
顾客程序 customer() { V(custs); //释放顾客 P(barbs); //申请理发师 get_haircut(); }
“理发店”问题---P、V信号量解法
设置同步信号量
custs：记录等待理发的顾客数(不包括正在理
发的顾客)，初值为0； barbs：正在等待为顾客理发的理发师数，初值 为k；
为防止死锁发生可采取的措施：
最多允许4个哲学家同时坐在桌子周围 仅当一个哲学家左右两边的筷子都可用时， 才允许他拿筷子 给所有哲学家编号，奇数号的哲学家必须首 先拿左边的筷子，偶数号的哲学家则反之
哲学家就餐问题—解法2
0
设置5个互斥信号量： chopstick[i] (0≤i≤4) //对应筷子 初值=1 设置信号量seat // 代表了座位数 初始值=4；
设置变量waiting，它的初值为0。
记录等待理发的顾客数
“理发店”问题---P、V信号量解法
理发师程序 barber() { P(custs); cut_hair(); V(barbs); }
顾客程序 customer() { if(waiting<n) { waiting=waiting+1; V(custs); P(barbs); get_haircut(); } }
第i个哲学家的“思考-就餐-思考”过程可描述为：
philosopher(i) { while(TRUE) { think(); P(chopstick[i]); P(chopstick[(i+1) mod 5)]; eat(); V(chopstick[i]); V(chopstick[(i+1) mod 5)]; } }
详解进程同步与互斥机制
详解进程同步与互斥机制⽬录⼀、什么是进程同步⼆、什么是进程互斥三、常见的进程同步与互斥机制⼀、什么是进程同步在多道批处理系统中，多个进程是可以并发执⾏的，但由于系统的资源有限，进程的执⾏不是⼀贯到底的，⽽是⾛⾛停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
那么，进程的异步性会带来什么问题呢？举个例⼦，如果有 A、B 两个进程分别负责读和写数据的操作，这两个线程是相互合作、相互依赖的。
那么写数据应该发⽣在读数据之前。
⽽实际上，由于异步性的存在，可能会发⽣先读后写的情况，⽽此时由于缓冲区还没有被写⼊数据，读进程 A 没有数据可读，因此读进程 A 被阻塞。
进程同步（synchronization）就是⽤来解决这个问题的。
从上⾯的例⼦我们能看出，⼀个进程的执⾏可能影响到另⼀个进程的执⾏，所谓进程同步就是指协调这些完成某个共同任务的并发线程，在某些位置上指定线程的先后执⾏次序、传递信号或消息。
再举个⽣活中的进程同步的例⼦，你想要喝热⽔，于是你打了⼀壶⽔开始烧，在这壶⽔烧开之前，你只能⼀直等着，⽔烧开之后⽔壶⾃然会发⽣响声提醒你来喝⽔，于是你就可以喝⽔了。
就是说⽔烧开这个事情必须发⽣在你喝⽔之前。
注意不要把进程同步和进程调度搞混了：进程调度是为了最⼤程度的利⽤ CPU 资源，选⽤合适的算法调度就绪队列中的进程。
进程同步是为了协调⼀些进程以完成某个任务，⽐如读和写，你肯定先写后读，不能先读后写吧，这就是进程同步做的事情了，指定这些进程的先后执⾏次序使得某个任务能够顺利完成。
⼆、什么是进程互斥同样的，也是因为进程的并发性，并发执⾏的线程不可避免地需要共享⼀些系统资源，⽐如内存、打印机、摄像头等。
举个例⼦：我们去学校打印店打印论⽂，你按下了 WPS 的 “打印” 选项，于是打印机开始⼯作。
你的论⽂打印到⼀半时，另⼀位同学按下了 Word 的 “打印” 按钮，开始打印他⾃⼰的论⽂。
想象⼀下如果两个进程可以随意的、并发的共享打印机资源，会发⽣什么情况？显然，两个进程并发运⾏，导致打印机设备交替的收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请求，结果两篇论⽂的内容混杂在⼀起了。
进程同步
3.2 信号量机制
(1)整型信号量 整型信号量是表示共享资源状态且只能由特殊
的原子操作改变的整型量。（其值好比信号灯的颜色） 思路：定义一个整型变量，用整型变量值来标
记资源使用情况：如整型量>0,说明有可用资源； 整型量≤0说明资源忙，进程必须等待。对于一次 只允许一个进程访问的CS，可定义一个用于互斥 的整型信号量，并被初始化为1。
3.2.2记录型信号量机制
（3）利用记录型信号量实现互斥
P1 wait(s)
CS
P2 wait(s){ S.Value=-1
block
P3 wait(s){ S.Value=-2
block
等待 队列 P2
P3
Signal(s){ S.Value=-1 Wakeup(P2)
CS S.Value= S.Value+1 signal(s){ S.Value=0
3.2 信号量机制
3.2.2记录型信号量机制
（3）利用记录型信号量实现互斥
var s:semaphore s.value=1 begin
repeat wait(s); critical section signal(s) remainder section
until false; end
3.2 信号量机制
signal(mutex); … }
3.2 信号量机制
3.2.1 整型信号量机制
(3) 整型信号量应用举例 ②用整型信号量实现进程协调 有p1和p2两个进程，要求p2必须在p1结束后执行，为
此可设置一个信号量s，初始值置为0，同步代码如下： parbegin begin p1; signal(s); end begin waits(s); p2; end parend
【转】进程同步之信号量机制（pv操作）及三个经典同步问题
【转】进程同步之信号量机制（pv操作）及三个经典同步问题上篇博客中（），我们对临界区，临界资源，锁机制详细解读了下，留下了⼀个问题，就是锁机制只能判断临界资源是否被占⽤，所以他解决了互斥问题，但是他不能确定前⾯的进程是否完成，所以他不能⽤于同步问题中。
下⾯就为你讲解信号量机制是如何解决这⼀问题的。
1.信号量机制信号量机制即利⽤pv操作来对信号量进⾏处理。
什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为⼀个值和⼀个指针，指针指向等待该信号量的下⼀个进程。
信号量的值与相应资源的使⽤情况有关。
当它的值⼤于0时，表⽰当前可⽤资源的数量；当它的值⼩于0时，其绝对值表⽰等待使⽤该资源的进程个数。
注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。
⼀般来说，信号量S³0时，S表⽰可⽤资源的数量。
执⾏⼀次P操作意味着请求分配⼀个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表⽰已经没有可⽤资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运⾏下去。
⽽执⾏⼀个V操作意味着释放⼀个单位资源，因此S的值加1；若S£0，表⽰有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒⼀个等待状态的进程，使之运⾏下去。
2.PV操作什么是PV操作？p操作（wait）：申请⼀个单位资源，进程进⼊经典伪代码wait(S){while(s<=0)<span style="white-space:pre"> </span>//如果没有资源则会循环等待；;S-- ;}v操作（signal）：释放⼀个单位资源，进程出来signal(S){S++ ;}p操作（wait）：申请⼀个单位资源，进程进⼊v操作（signal）：释放⼀个单位资源，进程出来PV操作的含义：PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进⾏操作，具体定义如下：P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；②如果S<=0，则该进程继续执⾏；否则该进程置为等待状态，排⼊等待队列。
操作系统复习资料全第二章 进程管理(3)-经典同步问题
信号量S的值除初始化（为资源数目）外，其值只能通过原
语wait和signal，也称P、V操作来改变。
整型信号量的P、V操作描述
wait和signal
wait(S): while S≤0 do no-op S∶=S-1; signal(S): S∶=S+1; 解释：P或wait操作：当S≤0时，说明无资源可用，一直测试直到其他进程 释放该类资源。
1. 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。（增加一个总资源信号量S=4）
2. 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 （AND型信号量）。
3. 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读者 为实现Reader与Writer进程间在读或写时的互斥而设置了一个互 斥信号量Wmutex； 设置一个整型变量Readcount表示正在读的进程数目； 当 Readcount=0 时，表示尚无 Reader 进程在读时， Reader 进 程才需要执行 Wait(Wmutex) 操作。若 wait(Wmutex) 操作成功， 做Readcount+1和读文件操作； 当Reader进程在执行了Readcount减1操作后其值为0时，才须 执行signal(Wmutex)操作，以便让Writer进程写； 又因为Readcount是一个可被多个 Reader进程访问的临界资源， 因此，应该为它设置一个互斥信号量rmutex。
计算机操作系统原理 ch3 进程同步
算法3的问题
该算法可确保准则2。但又出现新问 题。它可能造成谁也不能进入。如，当pi 和pj几乎同时都要进入，分别把自己的 标志置为true，都立即检查对方的标志， 发现对方为true. 最终谁也不能进入。 这 不能保证准则1。
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课本上的解法4
Pi进程： Repeat flag[i]:=true; While flag[j] do no_op; begin flag[i]:=false; <delay for a short time> flag[i]:=true; end Critical section flag[i]:=false;
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用原语实现进程互斥
锁即操作系统中的一标志位，０表示资源可用， １表示资源已 被占用。用户程序不能对锁直 接操作，必须通过操作系统提供的上锁和开 锁原语来操作。 通常锁用w表示，上锁开锁原语分别用lock(w)、 unlock(w)来表示。
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上锁和开锁原语
上锁原语lock(w)可描述为： L：if(w==1) goto L else w=1；
开锁原语unlock(w)可描述为： w=0；
31
用原语实现进程互斥
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改进的上锁原语
上述上锁原语中存在忙等待。
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改进的开锁原语
34
信号量及P、V操作
1965年，由荷兰学者Dijkstra提出（所以 P、V分别是荷兰语的test (proberen) 和 increment (verhogen) ） 一种卓有成效的进程同步机制 最初提出的是二元信号量（互斥） 推广到一般信号量（多值）（同步） P、V操作是原语
必须置一次且只能置一次初值 初值不能为负数 只能执行P、V操作
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10
process writer begin repeat p(wmutex); 对数据进行写操作; v(wmutex);
until false;
end
coend
11
哲学家问题
问题描述：在一个圆形餐桌上有5份通 心粉，间隔放有5把叉子，5个哲学家各 自坐在一份通心粉前。哲学家思考时， 他们不做任何动作，当他们饥饿时，必 须手持两把叉子才能吃通心粉，而且只 能取得自己左右手边的叉子。吃完后， 叉子必须放回。
4
(2)算法描述
生产者
生产出一产品；
消费者
P(full); P(mutex); 从缓冲区取出一产品； V(mutex); V(empty); 消费该产品；
5
P(empty);
P(mutex); 将该产品放入缓冲区； V(mutex); V(full);
var mutex,empty,full:semaphore:=1,n,0; buffer:arr[0,1,…n-1] of item; in,out:integer:=0,0;操作Leabharlann 统原理第三章 进程管理之三
1
1、生产者与消费者问题 2、读者与写者问题 3、哲学家就餐问题
2
生产者与消费者
引言：
问题描述：一组生产者进程通过一个
具有n个缓冲区的缓冲池循环不断地向一
组消费者提供产品，怎样才能正确描述
这两个进程？
3
解:(1)设置信号量的情况： 设同步信号量empty，初值为n，表示生 产者有n个空缓冲区可用。 同步信号量full，初值为0，表示生产者 尚未把产品放入缓冲池。 互斥信号量mutex，初值为1，以保证同 时只有一个进程能够进入临界区，访问 访冲池。
cobegin process reader begin p(rmutex); RC:=RC-1; if RC=0 then v(wmutex); v(rmutex); until false; end
repeat
p(rmutex); if RC=0
then
p(wmutex); RC:=RC+1; v(rmutex); 读数据对象； ……
7
解:(1)设置信号量的情况： 设互斥信号量wmutex，初值为1，用于 实现写者与其它写者或读者互斥地访问 共享数据对象。 互斥信号量rmutex，初值为1，用于实 现读者互斥地访问读者计数器变量。 设整型变量RC，初值为0，用于对读者 进行计数。
8
(2)算法描述
读者
P(rmutex);
若RC=0，则P(wmutex);
cobegin process proceducer begin repeat 生产出一产品； p(empty); p(mutex); buffer(in):=nextp; in:=(in+1)mod n; process consumer begin repeat p(full); p(mutex); nextc:=buffer(out); out:=(out+1)mod n; v(mutex);
RC加1； V(rmutex); 读数据对象； P(rmutex); RC减1； 若RC=1，则v(wmutex); V(rmutex);
写者
P(wmutex);
对数据对象进行写操作
V(wmutex);
9
var rmutex,wmutex:semaphore:=1,1; RC:integer:=0;
v(mutex);
v(full); until false; end
v(empty);
消费该产品； until false; end coend
6
读者与写着
问题描述：一组读者(指对共享数据对 象只要求读的进程)与一组写者(指对共 享数据对象只要求写的进程)循环访问共 享的同一个数据对象，规定多个读者可 以同时读这个数据对象，但绝不允许多 个写者对这个数据对象进行写操作。也 不允许读者、写者同时访问这个数据对 象。
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解:(1)设置信号量的情况： 放在桌上的叉子为临界资源，在一段时 间内只允许一位哲学家试用。 设五个信号量用数组来描述： var stick:arr[0,…,4] of semaphore;
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(2)算法描述：
process 哲学家 begin
repeat
p(stick[i])； p(stick[(i+1)mod 5]);
……
吃通心粉; …… p(stick[i]); p(stick[(i+1)mod 5]); ….. 思考； until false; end
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