操作系统同步互斥习题

信号量的PV操作是如何定义的？试说明信号量的PV操作的物理意义。

参考答案：P（S）：将信号量S减1，若结果大于或等于0，则该进程继续执行；若结果小于0，则该进程被阻塞，并将其插入到该信号量的等待队列中，然后转去调度另一进程。

V（S）：将信号量S加1，若结果大于0，则该进程继续执行；若结果小于或等于0，则从该信号量的等待队列中移出一个进程，使其从阻塞状态变为就绪状态，并插入到就绪队列中，然后返回当前进程继续执行。

PV操作的物理含义：信号量S值的大小表示某类资源的数量。当S>0时，其值表示当前可供分配的资源数目；当S<0时，其绝对值表示S信号量的等待队列中的进程数目。每执行一次P操作，S值减1，表示请求分配一个资源，若S≥0，表示可以为进程分配资源，即允许进程进入其临界区；若S<0，表示已没有资源可供分配，申请资源的进程被阻塞，并插入S的等待队列中，S的绝对值表示等待队列中进程的数目，此时CPU将重新进行调度。每执行一次V操作，S值加1，表示释放一个资源，若S>0，表示等待队列为空；若S≤0，则表示等待队列中有因申请不到相应资源而被阻塞的进程，于是唤醒其中一个进程，并将其插入就绪队列。无论以上哪种情况，执行V操作的进程都可继续运行。

1、设公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：

司机的活动：启动车辆；

正常行车；

到站停车；

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P、V操作实现它们的同步。

设两个信号量S和C，初值为S＝0；C＝0；

司机：L1：正常行车售票员：L2：售票

到站停车P（S）

V（S）开车门

P（C）关车门

启动开车V（C）

GO TO L1 GO TO L2

2、请用PV操作实现他们之间的同步关系：

（1）桌上一个盘子，只能放一只水果。爸爸放苹果，妈妈放桔子，儿子只吃桔子，女儿只吃苹果。

（2）桌上一个盘子，只能放一只水果。爸爸放苹果，妈妈放桔子，儿子吃桔子、苹果。

参考答案：

第一步：确定进程

4个进程Father（爸爸）、Mother（妈妈）、Son（儿子）、Daughter（女儿）

Father进程：

将苹果放入盘中

Mother进程：

●将桔子放入盘中

Son进程：

●从盘中取出桔子

●吃桔子

Daughter进程：

●从盘中取出苹果

●吃苹果

第二步：确定进程的同步、互斥关系

●同步：Father当盘中无水果时，才可以将苹果放入盘中

●同步：Mother当盘中无水果时，才可以将桔子放入盘中

●同步：Son当盘中有桔子时，才可以从盘中取出桔子

●同步：Daughter当盘中有苹果时，才可以从盘中取出苹果第三步：设置信号量

●盘中无水果，Sp，初值1

●盘中有桔子，So，初值0

●盘中有苹果，Sa，初值0

第四步：用伪代码描述

begin

Sp,So,Sa：semaphore;

Sp :=1;

So :=0;

Sa :=0;

cobegin

Father ( );

Mother ( );

Son ( );

Daughter ( );

coend;

end;

process Father ( )

begin

L1: P（Sp）;

将苹果放入盘中；

V（Sa）;

goto L1;

end;

process Mother ( )

begin

L2: P（Sp）;

将桔子放入盘中；

V（So）;

goto L2;

end;

process Son ( )

begin

L3: P（So）;

从盘中取出桔子；

V（Sp）

吃桔子；

goto L3；

end;

process Daughter ( )

begin

L4: P（Sa）;

从盘中取出苹果；

V（Sp）

吃苹果；

goto L4；

end;

（2）

第一步：确定进程

3个进程Father（爸爸）、Mother（妈妈）、Son（儿子）

Father进程：

●将苹果放入盘中

Mother进程：

●将桔子放入盘中

Son进程：

●从盘中取出水果（桔子或苹果）

●吃水果（桔子或苹果）

第二步：确定进程的同步、互斥关系

●同步：Father当盘中无水果时，才可以将苹果放入盘中

●同步：Mother当盘中无水果时，才可以将桔子放入盘中

●同步：Son当盘中有水果（桔子或苹果）时，才可以从盘中取出水果

第三步：设置信号量

●盘中无水果，empty，初值1

●盘中有水果（桔子或苹果），full，初值0

第四步：用伪代码描述

begin

empty, full：semaphore;

empty:=1;

full :=0;

cobegin

Father ( );

Mother ( );

Son ( );

coend;

end;

process Father ( )

begin

L1: P（empty）;

将苹果放入盘中；

V（full）;

goto L1;

end;

process Mother ( )

begin

L2: P（empty）;

将桔子放入盘中；

V（full）;

goto L2;

end;

process Son ( )

begin

L3: P（full）;

从盘中取出水果;

V（empty）;

吃水果;

goto L3；

end;

3.某工厂有一个可以存放设备的仓库，总共可以存放10台设备。生产的每一台设备都必

须入库，销售部门可从仓库提出设备供应客户。设备的入库和出库都必须借助运输工具。

现只有一台运输工具，每次只能运输一台设备。请设计一个能协调工作的自动调度管理系统。

参考答案：

第一步：确定进程

可以为入库（Pin）和出库（Pout）各设置一个进程

Pin进程：

●生产了一台设备

●使用运输工具入库

Pout进程：

●使用运输工具出库

●提出设备供应客户

第二步：确定进程的同步、互斥关系

●同步：当仓库中有空余位置存放设备时，设备才可以入库

●同步：当仓库中有存放的设备时，设备才可以出库

●互斥：运输工具是临界资源，要互斥访问

第三步：设置信号量

●仓库中有空余位置数量，empty，初值10

●仓库中有存放的设备数量，full，初值0

●为运输工具设置互斥信号量S，初值1，表示当前可用

第四步：用伪代码描述

begin

empty, full, S：semaphore;

empty := 10;

full := 0;

S := 1;

cobegin

Pin ();

Pout ();

coend;

end;

process Pin ( )

begin

L1: 生产了一台设备 ;

P（empty）;

P (S);

使用运输工具入库;

V （S）;

V（full）;

goto L1;

end;

process Pout ( )

begin

L2: P（full）;

P (S);

使用运输工具出库;

V （S）;

V（empty）;

提出设备供应客户;

goto L2;

end;

4、写者优先的“读者――写者”问题：

1）共享读

2）互斥写、读写互斥

3）写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）

wmutex:semaphore=1 //读者与写者之间、写者与写者之间互斥使用共享数据S：semaphore=1 //当至少有一个写者准备访问共享数据时，它可使后续

的读者等待写完成

S2：semaphor＝1 //阻塞第二个以后的等待读者

readcount,writecount: semaphore = 0,0; //当前读者数量、写者数量

mutex1 :semaphore = 1 //多个读者互斥使用readcount

mutex2 :semaphore = 1 //多个写者互斥使用writecount

Cobegin:

Reader: begin

Repeat

Wait（S2）；

wait(S);

wait(mutex1)

if readcount=0 then wait(wmutex);

readcount++;

signal (mutex1);

signal(S);

signal（S2）；

reading…

wait(mutex1);

readcount--;

if readcount=0 then signal(wmutex);

signal(mutex1);

until false;

begin;

writer: begin

repeat;

wait(mutex2);

if writecount=0 then wait(S);

writecount++;

signal （mutex2）;

wait(wmutex);

writing…

signal(wmutex);

wait(mutex2);

writecount--;

if writecount=0 then signal(S);

signal （mutex2）;

until false;

end;

coend;

5、有一个仓库，可以存放A、B两种产品，但要求：

①每次只能存入一种产品（A或B）；

②A产品数量－B产品数量

③B产品数量－A产品数量

其中M、N是正整数，使用P、V操作描述产品A与产品B的入库过程。Mutex,Sa,Sb: Semaphore;

Mutex =1;

Sa=M-1;

Sb=N-1;

CoBegin:

Process PA:

Begin

Loop:

P(Sa);

P(Mutex);

产品A入库；

V(Mutex);

V(Sb);

Goto Loop;

End;

Process PB:

Begin

Loop:

P(Sb);

P(Mutex);

产品B入库；

V(Mutex);

V(Sa);

Goto Loop;

End;

CoEnd;

5、进程A1、A2、……An1通过m个缓冲区向进程B1、B2……Bn2不断地发送消息。发送和接收工作遵循如下规则：

（1）每个发送进程一次发送一个消息，写入一个缓冲区，缓冲区大小等于消息长度；

（2）对每一个消息，B1，B2，…，Bn都必须接收一次，读入各自的数据区内；

（3）m个缓冲区都满时，发送进程等待；没有可读的消息时，接收进程等

待。

解答：本题是生产者——消费者问题的一个变形，一组生产者A1，A2，…….An1和一组消费者B1，B2，……Bn2公用m个缓冲区，每个缓冲区只要写一次，但需要读n2次，因此，我们可以把这一组缓冲区看成n2组缓冲区，每个发送者需要同时写n2组缓冲区，而每一个接收者只需读它自己对应的那组缓冲区中的对应单元。

Mutex,empty[n2],full[n2]:semaphore;

Mutex=1; //多进程互斥使用缓冲区

empty[0,1,……n2]={m,m,……m};

full[0,1,…..n2]={0,0,……0};

int I;

Cobegin:

Process Ai

Begin:

Loop:

Int I;

For ( I=0; I

P (empty[I]);

P(Mutex);

将消息放入缓冲区；

v(Mutex);

for( I=0; I

v(full[I]);

Goto Loop;

End;

Process Bi

Begin:

Loop:

P (full[I]);

P(Mutex);

从消息缓冲区取出消息；

v(Mutex);

v(empty[I]);

Goto Loop;

End;

CoEnd;

6、理发师问题：一个理发店有N张沙发和一张理发椅，没有顾客要理发时，理发师便去睡觉；当一个顾客走进理发店时，如果所有的沙发都已被占用，他便离开理发店；否则，如果理发师正在为其他顾客理发，则该顾客就找一张空沙发坐下等待；如果理发师因无顾客正在睡觉，则由新到的顾客唤醒理发师为其理发。在理发完成后，顾客必须付费，直到理发师收费后才能离开理发店。使用信号量实现这一同步问题。

解答：为解决上述问题，需要设置一个整形变量count用来对理发店中的顾客进行计数，再设置7个信号量：mutex用来实现顾客进程对count变量的互斥访问，其初值为1；sofa是对应于等候室中N张沙发的资源信号量，其初值为N；empty 表示是否有空闲的理发椅，其初值为1；full表示理发椅上是否坐有等待理发的顾客，其初值为0；cut用来等待理发的完成，其初值为0；payment用来等待付费，其初值为0；receipt用来等待收费，其初值为0。

Int count =0;

Mutex,sofa,empty,full,cut,payment,receipt: semaphore =1,N,1,0,0,0,0;

CoBegin:

Process Guest:

Begin:

P (mutex);

If(count>N) then

{

v(mutex);

exit shop;

}

else

{

count ++;

if ( count >1)then

{

p(sofa);

sit on sofa;

p(empty);

get up from sofa;

v(sofa);

}

else //count=1

{

p(empty);

sit on the baber_chair;

v(full);

p (cut);

pay;

v(payment);

p(receipt);

get up from the baber_chair;

v(empty);

p(mutex)

count--;

v(mutex);

exit shop;

End;

Process Barber:

Begin

Loop:

P(full);

Cut hair;

V(cut);

P(payment);

Accept payment;

V(receipt);

Goto Loop;

CoEnd;

7、一个海底隧道中只有一个车道，规定同一个方向的可以连续过隧道；某方向有列车过隧道时，另一个方向的列车就要等待，现在东岸和西岸都有列车要过隧道，如果把每个过隧道的列车看作一个进程，为保证安全，使用P、V操作实现正确管理。

8、如果系统中有N个进程，

?运行进程最多几个，最少几个？

?就绪进程最多几个，最少几个？

?等待进程最多几个，最少几个？

解答：运行进程最多1个，最少0个；

就绪进程最多N-1个，最少0个；

等待进程最多N个，最少0个；

9、教材作业第25题:

(1)具有忙等待的关锁和开锁原语:

Lock(W): { While W=1 Do No Operation;

W=1;

}

Unlock(W): { W=0;}

(2)不会忙等待的关锁和开锁原语:

Lock(W): { W++;

If W>1 Then Block();

}

Unlock(W): { W- -;

If W>=1 Then Wakeup();

}

10、教材作业第28题:

第一种解法:

S1,S2: Semaphore=0,0;

Main ()

{ Cobegin :

Collection( );

Computer( );

}

Collection( )

{ L1: Collect Mesg;

Put Mesg Into Buffer;

V ( S1);

P ( S2);

Goto L1;

}

Computer( )

{ L2: P ( S1);

Get Mesg;

V (S2);

Computing;

Goto L2;

}

第二种解法:

S1,S2: Semaphore=0,1;

Main ()

{ Cobegin :

Collection( );

Computer( );

}

Collection( )

{ L1: Collect Mesg;

P ( S2) ;

Put Mesg Into Buffer;

V ( S1);

Goto L1;

}

Computer( )

{ L2: P ( S1);

Get Mesg;

V (S2);

Computing;

Goto L2;

}

12、假设有三个并发进程P，Q，R，其中P负责从输入设备上读入信息并传送给Q，Q将信息加工后传送给R，R则负责将信息打印输出。写出下列条件的并发程序：（1）进程P、Q共享一个缓冲区，进程Q、R共享另一个缓冲区。

（2）进程P、Q共享一个由m个缓冲区组成的缓冲池，进程Q、R共享另一个由n个缓冲区组成的缓冲池。

参考答案：（1）

第一步：确定进程

3个进程P、Q、R

P进程：

●从输入设备上读入信息

●将信息放入缓冲区1

Q进程：

●从缓冲区1取出信息

●将信息放入缓冲区2中

R进程：

●从缓冲区2取出信息

●将信息打印输出

第二步：确定进程的同步、互斥关系

●同步：P当缓存区1无数据时，才可以向缓冲区1写入信息

●同步：Q当缓存区1有数据时，才可以从缓冲区1读取信息

●同步：Q当缓存区2无数据时，才可以向缓冲区2写入信息

●同步：R当缓存区2有数据时，才可以从缓冲区2读取信息

第三步：设置信号量

●缓存区1无数据，empty1，初值1

●缓存区1有数据，full1，初值0

●缓存区2无数据，empty2，初值1

●缓存区2有数据，full2，初值0

第四步：用伪代码描述

begin

empty1,empty2,full1,full2：semaphore;

empty1 :=1;

empty2 :=1;

full1 :=0;

full2 :=0;

cobegin

P ( );

Q ( );

R ( );

coend;

end;

process P ( )

begin

L1: 从输入设备上读入信息;

P（empty1）;

将信息放入缓冲区1；

V（full1）;

goto L1

end;

process Q ( )

begin

L2:P（full1）;

从缓冲区1取出信息;

V（empty1）;

P（empty2）;

将信息放入缓冲区2；

V（full2）;

goto L2

end;

process R ( )

begin

L3:P（full2）;

从缓冲区2取出信息;

V（empty2）;

将信息打印输出;

goto L3 ;

end;

（2）

第一步：确定进程

3个进程P、Q、R

P进程：

●从输入设备上读入信息

●将信息放入缓冲池1中的一个空缓冲区中

Q进程：

●从缓冲池1中的一个非空缓冲区中取出信息

●将信息放入缓冲池2中的一个空缓冲区中

R进程：

●从缓冲池2中的一个非空缓冲区中取出信息

●将信息打印输出

第二步：确定进程的同步、互斥关系

●同步：P当缓冲池1中有空的缓冲区时，才可以向缓冲池1写入信息

●同步：Q当缓冲池1中有非空的缓冲区时，才可以从缓冲池1读取信息

●同步：Q当缓冲池2中有空的缓冲区时，才可以向缓冲池2写入信息

●同步：R当缓冲池2中有非空的缓冲区时，才可以从缓冲池2读取信息第三步：设置信号量

●缓冲池1中的空缓冲区的数量，empty1，初值m

●缓冲池1中的非空缓冲区的数量，full1，初值0

●缓冲池2中的空缓冲区的数量，empty2，初值n

●缓冲池2中的非空缓冲区的数量，full2，初值0

第四步：用伪代码描述

begin

empty1,empty2,full1,full2：semaphore;

empty1 :=m;

empty2 :=n;

full1 :=0;

full2 :=0;

cobegin

P ( );

Q ( );

R ( );

coend;

end;

process P ( )

begin

L1: 从输入设备上读入信息;

P（empty1）;

将信息放入缓冲池1中的一个空缓冲区中；

V（full1）;

goto L1

end;

process Q ( )

begin

L2:P（full1）;

从缓冲池1中的一个非空缓冲区中取出信息;

V（empty1）;

P（empty2）;

将信息放入缓冲池2中的一个空缓冲区中；

V（full2）;

goto L2

end;

process R ( )

begin

L3:P（full2）;

从缓冲池2中的一个非空缓冲区中取出信息;

V（empty2）;

将信息打印输出;

goto L3 ;

end;

13、有四个并发进程：R1，R2，W1和W2，它们共享可以存放一个数的缓冲区。进程R1每次从磁盘读入一个数存放到缓冲区中，供进程W1打印输出；进程R2每次从键盘读一个数存放到缓冲区中，供进程W2打印输出。当缓冲区满时，不允许再向缓冲区中存放数据；当缓冲区空时，不允许再从缓冲区中取出数据打印输出。试用PV操作实现四个进程的协调运行。

参考答案：

第一步：确定进程

4个进程R1、R2、W1、W2

R1进程：

●从磁盘上读入一个数

●将数存放到缓冲区中

W1进程：

●将R1进程放进缓冲区中的数取出

●打印输出

R2进程：

●从键盘读入一个数

●将数存放到缓冲区中

W2进程：

●将R2进程放进缓冲区中的数取出

●打印输出

第二步：确定进程的同步、互斥关系

●同步：R1当缓存区无数据时，才可以向缓冲区写入数据

●同步：R2当缓存区无数据时，才可以向缓冲区写入数据

●同步：W1当缓存区中是R1写的数据时，才可以将数据从缓冲区中读出

●同步：W2当缓存区中是R2写的数据时，才可以将数据从缓冲区中读出

第三步：设置信号量

●缓存区无数据，empty，初值1

●缓存区中是R1写的数据，full1，初值0

●缓存区中是R2写的数据，full2，初值0

第四步：用伪代码描述

begin

empty, full1,full2：semaphore;

empty :=1;

full1 :=0;

full2 :=0;

cobegin

R1 ( );

R2 ( );

W1 ( );

W2 ( );

coend;

end;

process R1 ( )

begin

L1: 从磁盘上读入一个数；

P（empty）;

将数存放到缓冲区中；

V（full1）;

goto L1

end;

process R2 ( )

begin

L2: 从键盘上读入一个数；

P（empty）;

将数存放到缓冲区中；

V（full2）;

goto L2

end;

process W1 ( )

begin

L3:P（full1）;

将缓冲区中的数取出；

V（empty）;

打印输出;

goto L3

end;

process W2 ( )

begin

L4:P（full2）;

将缓冲区中的数取出；

V（empty）;

打印输出;

goto L4

end;

15、有一个阅览室，共有100个座位。读者进入阅览室时必须在入口处进行登记；离开阅览室时必须进行注销。试用PV操作描述读者进入/离开阅览室的同步与互斥关系。

参考答案：

第一步：确定进程

可以进入阅览室的读者可以有很多，这里设为n，即

n个Reader（读者）进程

Reader进程：

●登记

●进入阅览室

●读书

●离开阅览室

●注销

第二步：确定进程的同步、互斥关系

●同步：当教室内有空座位时，读者才可以登记，并进入阅览室

●互斥：同时只能有一个读者在入口处进行登记

●互斥：同时只能有一个读者在出口处进行注销

第三步：设置信号量

●教室内空座位数量，seat，初值100

●为入口处进行登记设置互斥信号量Sin，初值1，表示当前可用

●为出口处进行注销设置互斥信号量Sout，初值1，表示当前可用

第四步：用伪代码描述

begin

Sin, Sout, seat：semaphore;

seat :=100;

Sin := 1;

Sout := 1;

cobegin

process Reader-i ( i = 1,2,…,n );

begin

P(seat);

P(Sin);

登记;

V(Sin);

进入阅览室;

读书;

离开阅览室;

P(Sout);

注销;

V(Sout);

V（seat）;

end

coend;

end;

17、设一个机票订购系统有n个售票处，每个售票处通过网络终端访问系统的公共数据区，假定公共数据区中的一些单元A j（j＝1,2,……）分别存放各次航班的余票数，售票时，

若某次航班还有余票，则售给乘客，否则，拒绝售票。请用信号量的PV操作实现各售票进程的并发执行。

解: 设P i（i=1,2,…,n）表示各售票处的售票处理进程，公共数据区是多个售票进程共享的临界资源，为其设置互斥信号量S，初值为1，表示资源可用。算法描述如下：

begin

S：semaphore;

S :=1;

cobegin

process P i(i=1,2,…,n)

begin

R i：integer // 表示各进程执行时所用的工作单元

P（S）

R i := A j;

if R i ≥1 then begin R i := R i －1；

A j:= R i；

V（S）；

输出一张票

end

else begin V（S）；

输出“票已售完”信息；

end；

end；

coend；

end；

注意：算法中“else”部分的V操作不能少，否则当进程在临界区中判别条件R i ≥1不成立时无法退出临界区，当然也就不能唤醒等待进入临界区的其它进程，这就违反了同步机制应遵循的“空闲让进”和“有限等待”两个原则。

18、有三个进程PA、PB、PC合作解决文件打印问题：PA将文件记录从磁盘读入内存的缓冲区1，每执行一次读一个记录；PB将缓冲区1的记录复制到缓冲区2，每执行一次复制一个记录；PC打印缓冲区2中的记录，每执行一次打印一个记录。每个缓冲区只能存放一个记录。请用信号量机制实现文件的正确打印。

解：本题中，进程PA、PB、PC之间的合作关系如图2－3所示：

图2－3 文件打印流程图

当缓冲区1为空时，PA可将记录读入其中，否则，PA需等待；当缓冲区1有记录而缓冲区2为空时，PB可进行复制工作，否则PB需等待；当缓冲区2有记录时，PC可打印记录，否则PC需等待。为此，设置4个信号量empty1、empty2、full1、full2，其中empty1、empty2分别表示缓冲区1和缓冲区2是否为空，初值均为“1”；full1、full2分别表示缓冲区1和缓冲区2中是否有记录，其初值均为“0”。算法描述如下：

begin

empty1,empty2,full1,full2：semaphore; empty1 :=1;

empty2 :=1;

full1 :=0;

full2 :=0;

cobegin

PA ( );

PB ( );

PC ( );

coend;

end; process P A( )

begin

L1: 从磁盘读一个记录;

P（empty1）;

将记录存入缓冲区1；

V（full1）;

goto L1

end;

process PB( )

begin

L2: P（full1）;

从缓冲区1取一个记录；

V（empty1）

P（empty2）;

将记录存入缓冲区2；

V（full2）;

goto L2

end; process PC ( )

begin

L3: P（full2）

从缓冲区2取出一个记录;

V（empty2）;

打印输出记录；

goto L3

end;