三个经典同步问题
【例1】生产者-消费者问题
在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。
（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往Buffer;
V(full);
}
消费者进程
while(True){
P(full);
从Buffer取出一个产品;
V(empty);
消费该产品;
}
（2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指
，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从buffer（out）中取出产品；
out=(out+1)mod n；
V(empty);
消费该产品;
}
（3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区
在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。
定义四个信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。
设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
P(mutex1)；
产品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(mutex1);
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full)
P(mutex2)；
从buffer（out）中取出产品；
out=(out+1)mod n；
V（mutex2）；
V(empty);
消费该产品;
}
需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作，然后再执行互斥信号量的P操作，否则可能造成进程死锁。
【例2】桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，也可向盘中放桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用，请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。
分析在本题中，爸爸、儿子、女儿共用一个盘子，盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时，爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子，则允许儿子吃，女儿必须等待；若放入果盘中的是苹果，则允许女儿吃，儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里，生产者放入缓冲区的产品有两类，消费者也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品。
解：在本题中，应设置三个信号量S、So、Sa，信号量S表示盘子是否为空，其初值为l；信号量So表示盘中是否有桔子，其初值为0；信号量Sa表示盘中是否有苹果，其初值为0。同步描述如下：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
main()
{
cobegin
father(); /*父亲进程*/
son(); /*儿子进程*/
daughter(); /*女儿进程*/
coend
｝
father()
{
while(1)
{
P(S);
将水果放入盘中;
if（放入的是桔子）V(So);
else V(Sa);
}
}
son()
{
while(1)
{
P(So);
从盘中取出桔子;
V(S);
吃桔子;
｝
}
daughter()
{
while(1)
{
P(Sa);
从盘中取出苹果;
V(S);
吃苹果;
｝
｝
思考题：
四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F，系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F，进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件，现用PV操作进行管理，请回答下面的问题：
（1）应定义的信号量及初值： 。
（2）在下列的程序中填上适当的P、V操作，以保证它们能正确并发工作：
A() B() C() D()
{ { { {
[1]; [3]; [5]; [7];
read F; read F; read F; read F;
[2]; [4]; [6]; [8];
} } } }
思考题解答：
（1）定义二个信号量S1、S2，初值均为1，即：S1=1，S2=1。其中进程A和C使用信号量S1，进程B和D使用信号量S2。
（2）从[1]到[8]分别为：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)
1、测量控制系统中的数据采集任务把所采集的数据送一单缓冲区；计算任务则 从该缓冲区中取出数据并进行计算。试写出利用信号量机制实现两者共享单缓冲区的同步算法。
Var Sempty，Sfull: semaphore:= 1,0
Begin
Parbegin
Collection:begin
repeat
采集一个数据；
wait(Sempty);
数据放入缓冲区；
signal(Sfull);
untill false;
end;
Compute:begin
repeat
wait(Sfull);
从缓冲区取出数据;
signal(Sempty);
计算;
` until false;
end;
Parend
End
2、有一阅览室，共有100个座位。读者进入时必须先在一种登记表上登记，该表为每一座位列一个表目，包括座号和读者姓名。读者离开时要注销掉登记内容。试用wait和signal原语描述读者进程的同步问题。
var mutex, readcount :semaphore := 1,100;
Begin
Parbegin
Process Reader:begin
repeat
wait(readcount);
wait(mutex);
<填入座号和姓名完成登记>；
signal(mutex);
<阅读>
wait(mutex)
<删除登记表中的相关表项，完成注销>
signal(mutex);
signal(readcount);
until false;
end;
parend;
End;
1）、桌上有一空盘，只允许放一个水果，爸爸专向盘中放苹果，妈妈专向盘中放桔子；女儿专吃盘中的苹果，儿子专吃盘中的桔子；试用wait和signal原语实现爸爸、妈妈、女儿、儿子之间的同步问题。
var Sempty, Sapple, Sorange,: semaphore:= 1,0,0;
begin
parbegin
Father: begin
repeat
wait(Sempty);
signal(Sapple); until false;
end;
Mother: begin
repeat
wait(Sempty);
signal(Sorange); until false;
end;
Son: begin
repeat
wait(Sorange);
signal(Sempty);
until false;
end;
Daughter: begin
repeat
wait(Sapple);
signal(Sempty); until false;
end;
parend;
end;
1、在4×100米接力赛中，4个运动员之间存在如下关系，运动员1跑到终点把接力棒交给运动员2；运动员2一开始处于等待状态，在接到运动员1传来的接力棒后才能往前跑，他跑完100米后交给运动员3，运动员3也只有在接到运动员2传来的棒后才能跑，他跑完100米后交给运动员4，运动员4接到棒后跑完全程。请试用信号量机制对其上过程进行分析。
var s1,s2,s3:semaphpre:=0,0,0;
begin
parbegin
Athlete1: begin
Run100m;
signal(s1);
end;
Athlete2: begin
wait(s1);
Run100m;
signal(s2);
end;
Athlete3: begin
wait(s2);
Run100m;
signal(s3);
end;
Athlete4: begin
wait(s3);
Run100m;
end;
parend;
end
2、在公共汽车上，司机和售票员各行其职，司机负责开车和到站停车；售票员负责售票和开、关车门；当售票员关好车门后驾驶员才能开车行驶。试用wait和signal操作实现司机和售票员的同步。
var s1,s2:semaphore:=0,0;
begin
parbegin
Process Driver
begin
repeat
signal(s2);
wait(s1);
until false;
end;
Process BookingClerk;
begin
repeat
wait(s2);
signal(s1);
until false
end;
parend;
end;
1、假设有3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负责打印输出。进程P，Q共享一个有m个缓冲区组成的缓冲池；进程Q，R共享一个有n个缓冲区组成的缓冲池（假设缓冲池足够大，进程间每次传输信息的单位均小于等于缓冲区长度），请写出满足上述条件的并发程序。（12分）
var mutex1,mutex2,Sip,Siq,Soq,Sor:semaphore:=1,1,m,0,n,0;
begin
parbegin
Process P
begin
repeat
<读入信息>
wait(Sip);
wait(mutex1);
<数据放入缓冲区>
signal(mutex1);
signal(Siq);
until false
end;
Process Q
begin
repeat
wait(Siq);
wait(mutex1);
<从缓冲区中取出数据>
signal(mutex1);
signal(Sip);
<数据处理〉
wait(Soq);
wait(mutex2);
<处理后的数据放入缓冲区>
signal(mutex2);
signal(Sor);
until false
end;
Process R
repeat
wait(Sor);
wait(mutex2);
<把数据送入打印机完成打印>;
signal(mutex2);
signal(Soq);
until false
end
parend
end
2、有一只铁笼子，每次只能放入一只动物，猎手向笼子里放入老虎，农民向笼子里放入猪；动物园等待取笼子里的老虎，饭店等待取笼子里的猪。现请用wait和signal操作写出能同步执行的程序。
var Sempty, Stiger, Spig,: semaphore:= 1,0,0;
begin
parbegin
Hunter: begin
repeat
wait(Sempty);
signal(Stiger);
until false;
end;
Farmer: begin
repeat
wait(Sempty);
signal(Spig);
until false;
end;
Zoo: begin
repeat
wait(Stiger);
signal(Sempty);
until false;
end;
Hotel: begin
repeat
wait(Spig);
signal(Sempty); until false;
end;
parend;
end；