操作系统原理第二章 进程管理(2)

读者优先——分析
写者（包括第一个和随后的）如果被阻塞，
是在wmutex上 读者如果被阻塞，第一个读者是在wmutex上， 而其他读者是在rmutex上 存在写者饥饿的问题，如何解决？
让被阻塞的写者和在其后来的读者在某个信号量
上排队。只要能实现在同一信号量上按到来的先 后顺序排队，就可解决。
信号量解决同步与互斥的一般方法
首先对问题进行分析，搞清问题属于哪类
问题，即是互斥问题，还是同步问题，还 是两者的混合问题； 其次分清并发进程之间的互斥关系和同步 关系，即搞清同步存在于哪些进程之间， 互斥存在于哪些进程之间； 第三，搞清同步的基本方式(具体问题具体 分析)，互斥所涉及的临界资源的数量；
思考
如何实现写者优先的读写问题？
读者—写者问题小结
读者— 写者问题代表了“可由同类进程多次访问， 而不同类的进程必须互斥访问资源”这样一类问题 的控制方法。即采用一个资源计数器变量RC进行控 制。把对于该资源的访问控制变为对资源计数器变 量RC的访问控制。此时，资源计数器变量 RC是一 个临界资源，因此需要信号量对它进行互斥控制。 读者优先问题和写者优先的问题均会导致饥饿现象 过桥问题与读者—写者问题属于同一类型的问题。
2.4.2 哲学家进餐问题
1.利用记录型信号量解决哲学家进餐问题 问题：5位哲学家进餐共用一张圆桌，每座位前依次摆放一个筷 子（即桌上共5个筷子）。哲学家生活方式是交替思考和进餐。 Room ph2 f3 ph3 f2 ph1 f1 ph0 f4 f0
ph4

经分析，放在桌子上的筷子是临界资源，在一段时 间内只允许一位哲学家使用。为了实现对筷子的互 斥使用，可以用一个信号量表示一只筷子，由这五 个信号量构成信号量数组。其描述如下：

思考：过桥问题——作业
过桥问题。有桥如图所示。
车流如箭头所示。桥上不 允许车辆交会，但允许同 方向多辆车依次通行(即桥 上可以有多个同方向的车)。 请用PV操作实现交通管理 以防桥上堵塞。
2.4.3 读者——写者问题
有多个读者和写者进程(读、写进程个数任意)， 它们共享一个内存区域。读进程从该区域中读出 信息，写进程把信息写入该区域。 读写规则为：读者与写者之间互斥，写者与写者 之间互斥；读者之间不互斥。另外，按照上述规 则，对读写的选择顺序没有做任何假定。 ①试用PV操作写出一个“读者优先”的读写问题 的同步算法；②试用PV操作写出一个“无优先” 的读写问题的同步算法； ③试用PV操作写出一个 “写者优先”的读写问题的同步算法。
生产者—消费者同步中应注意：
在 每 个 进 程 中 用 于 实 现 互 斥 的 wait(mutex) 和 signal(mutex)必须成对地出现；
对资源信号量 empty 和 full 的 wait 和 signal 操作，需要 成对地出现，但它们分别处于不同的程序中。例如， wait(empty)在生产进程中，而 signal(empty) 则在消费 进程中； 在每个程序中的多个wait操作顺序不能颠倒。应先执行 对资源信号量的wait操作，然后再执行对互斥信号量的 wait 操 作 ， 否 则 可 能 引 起 进 程 死 锁 ( 例 如 消 费 者 先 执 行
Room ph2
f2 f3 ph3 f1 ph0 f4 ph4 f0
ph1
第i位哲学家的活动可描述为： Var chopstick: array［0, …, 4］ of semaphore=（1,1,1,1,1); repeat wait(chopstick［i］); wait(chopstick［(i+1) mod 5］); … eat; … signal(chopstick［i］); signal(chopstick［(i+1) mod 5］); … think; until false; 问题：上述算法有可能引起死锁。为什么？如何解决？
2. 利用AND信号量机制解决哲学家进餐问题 在哲学家进餐问题中，要求每个哲学家先获得两个临界资源 (筷子)后方能进餐，这在本质上就是前面所介绍的AND同步 问题，故用AND信号量机制可获得最简洁的解法。 Var chopsiick array ［0, …, 4］ of semaphore ：=(1,1,1,1,1); processi repeat think; Sswait(chopstick［(i+1) mod 5］, chopstick ［i］); eat; Ssignat(chopstick ［(i+1) mod 5］, chopstick ［i］); until false;

读者优先

reader(){ writer(){ while(1){ while(1){ wait(rmutex)； wait(wmutex)； if(readcount==0)wait(wmutex); 写文件； readcount++： signal(wmutex)； signal(rmutex)； }} 读文件； 初值: wait(rmutex)； wmutex=rmutex=1 readcount--； readcount=0 if(readcount==0)signal(wmutex); signal(rmutex)； （readcount不适合做信号量而应 该定义为普通的整型变量，为什么？） }}
consumer:begin repeat wait(full); wait(mutex); nextc :=buffer(out);//临时消费缓冲区 out :=(out+1) mod n; signal(mutex); signal(empty); consumer the item in nextc; until false; end parend end
2.4 经典进程的同步问题
生产者一消费者问题
读者一写者问题
哲学家就餐问题
进程互斥与同步的区分
进程的互斥是进程Hale Waihona Puke Baidu步的特例，两者都涉
及到并发进程访问共享资源的问题。 进程的互斥是指只要无进程在使用共享资 源时，就允许任意一个参与竞争的进程去 使用该资源。 进程同步不同：当涉及到共享资源的进程 必须同步时，即使无进程在使用共享资源， 那么尚未得到同步消息的进程仍不能去使 用这个资源。
举例： （1）W1 R1 R2

（1）R1阻塞在wmutex 上，R2阻塞在rmutex上 （2）W1阻塞在wmutex 上，R3开始阻塞在 rmutex上。当R2释放 readcount操作后， R3解 除阻塞，可以继续执行读 操作。
（2）R1 R2 W1 R3 假设此时： R1正在读文件， R2正在 操作readcount，随后W1 和R3很快分别到来
（续）
第四，设定信号量的个数和初值。互斥信号量 的个数等于临界资源的数目，且其初值均为1； 同步信号量的个数及其初值则要根据具体问题 而定，没有统一的方法。值得注意的是每个信 号量必须置一次且只能置一次初值，初值不能 为负数； 最后，设计出相应的管理方法，给出其并发算 法。在最后一步中，尽可能地利用现在已经发 明的较为成熟的实现方法，包括已经学过的例 题或已做过的习题的实现方法。
可采取以下几种解决方法： 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。
consumer:begin repeat Swait(full, mutex); nextc ：=buffer(out); out ：=(out+1) mod n; Ssignal(mutex, empty); consumer the item in nextc; until false; end parend end



无写者时，读者可以不断地读，因为进去的读者通过 V(S)可以让后面的读者进来，此时与“读者优先”时的 情形相同。 当第一个写者来时，如果被阻塞，是在mutex上。此时 它已P(S)但无法V(S)，将导致第一个写者后面到来的所 有读者和写者阻塞在S上。从而实现后面到来的所有读 者和写者在S上按顺序排队，因此达到了无优先的目的。 小结：如果有读者在读，则第一个写者被阻塞在mutex 上，第二个写者和它后面来的读者均被阻塞在S上；如 果有写者在写，则包括第一个读者在内的所有读者如果 被阻塞，都是在S上，而其他写者也是阻塞在S上。

举例： （1）W1 R1 R2 假设：W1在写文件，此 时R1和R2分别到达

（1）R1阻塞在S上，R2 也阻塞在S上 （2）W1阻塞在S上，R3 也阻塞在S上
（2）R1 R2 W1 R3 假设此时： R1正在读文件， R2正在 操作readcount，随后W1 和R3很快分别到来
无优先的读写问题——分析

Var mutex, empty, full:semaphore :=1,n,0; buffer:array［0, …, n-1］ of item; in, out: integer :=0, 0;//空、满缓冲区队列起始位置 begin parbegin proceducer:begin repeat … producer an item nextp;//nextp为临时缓冲区 wait(empty); wait(mutex); buffer(in) :=nextp; in :=(in+1) mod n; signal(mutex); signal(full); until false; end
wait(mutex) 通 过 、 再 执 行 wait(full) 被 阻 塞 ； 然 后 生 产 者 先 执 行 wait(mutex)就会被阻塞，导致死锁)。
2.利用AND信号量解决生产者—消费者问题 var mutex, empty, full ：semaphore ：=1, n, 0; buffer:array［0, …, n-1］ of item; in out:integer ：=0, 0; begin parbegin producer:begin repeat … produce an item in nextp; … Swait(empty, mutex); buffer(in)∶=nextp; in∶=(in+1)mod n; Ssignal(mutex, full); until false; end
无优先的读写问题
reader(){ writer(){ while(1){ while(1){ wait(S); wait(rmutex)； wait(S); if(readcount==0)wait(wmutex); wait(wmutex)； readcount++： 写文件； signal(rmutex)； signal(wmutex)； signal(S); signal(S);}} 读文件； wait(rmutex)； 初值: readcount--； wmutex=rmutex=1 if(readcount==0)signal(wmutex); S=1 signal(rmutex)； readcount=0 }}