#操作系统# Chapter4并发进程-2 信号量机制-PV问题

操作系统

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Chapter4 并发进程-2 信号量机制（PV经典问题）

2018-12-25

例1 最简单的互斥问题（捡黑白子问题类似）

semaphore mutex;
mutex=1;
void Pi()
{
	……
	P(mutex);
	//使用打印机
	V(mutex);
}

例2 最简单的同步问题-缓冲区为1的生产者消费者问题

semaphore empty,full;
empty=1;
full=0;
void Producer()
{
	while(1)
	{
		//生产一个产品
		P(empty);
		//送产品到缓冲区
		V(full);
	}
}
void Consumer()
{
	while(1)
	{
		P(full);
		//从缓冲区取产品
		V(empty);
		//消费产品
	}
}

例3 哲学家吃通心面问题

问题描述：5个哲学家围坐在一圆桌旁，桌中央放置一盘通心面，每人面前有一只空盘子，每两人之间放一把叉子。哲学家思考、饥饿、吃通心面，且必须获得两把叉子才能进食。
（编号：５个哲学家编号0 ~4, ５把叉子编号0 ~4, 0号哲学家左手的叉子编号是0号且逆时针增加，哲学家的编号也逆时针增加）
1）会导致死锁

semaphore fork[0..4];
fork[i]=1;
void Ph_i()
{
	//思考
	//饥饿
	P(fork[i]);//申请左手边叉子
	P(fork[(i+1)%5]);//申请右手边叉子
	//吃通心面
	V(fork[i]);//释放左手边叉子
	V(fork[(i+1)%5]);//释放右手边叉子
}

2）解决死锁方法① 至多允许4个哲学家同时吃

semaphore fork[0..4];
fork[i]=1;
semaphore m;
m=4;//增加一个信号量限制并发进程数
void Ph_i()
{
	//思考
	//饥饿
	P(m);
	P(fork[i]);//申请左手边叉子
	P(fork[(i+1)%5]);//申请右手边叉子
	//吃通心面
	V(fork[i]);//释放左手边叉子
	V(fork[(i+1)%5]);//释放右手边叉子
	V(m);
}

2）解决死锁方法② 奇数号哲学家先申请左边的叉子，偶数号哲学家先申请右边的叉子

semaphore fork[0..4];
fork[i]=1;
void Ph_i()
{
	//思考
	//饥饿
	if(i%2==1)
	{
		P(fork[i]);//申请左手边叉子
		P(fork[(i+1)%5]);//申请右手边叉子
	}
	else
	{
		P(fork[(i+1)%5]);//申请右手边叉子
		P(fork[i]);//申请左手边叉子
	}
	//吃通心面
	V(fork[i]);//释放左手边叉子
	V(fork[(i+1)%5]);//释放右手边叉子
}

例4 缓冲区为n的生产者消费者问题

semaphore mutex,empty,full;
mutex=1;
empty=n;
full=0;
void Producer()
{
	while(1)
	{
		//生产一个产品
		P(empty);
		P(mutex);
		//送产品到缓冲区
		V(mutex);
		V(full);
	}
}
void Consumer()
{
	while(1)
	{
		P(full);
		P(mutex);
		//从缓冲区取产品
		V(mutex);
		V(empty);
		//消费产品
	}
}

例5 苹果橘子问题

问题描述：桌子上有一只盘子，每次只能放入一个水果；爸爸放苹果，妈妈放橘子；女儿吃苹果，儿子吃橘子。

semaphore empty,apple,orange;
empty=1;
apple=orange=0;
void Father()
{
	while(1)
	{
		//削苹果
		P(empty);
		//放苹果
		V(apple);
	}
}
void Mother()
{
	while(1)
	{
		//剥橘子
		P(empty);
		//放橘子
		V(orange);
	}
}
void Daughter()
{
	while(1)
	{
		P(apple);
		//取苹果
		V(empty);
		//吃苹果
	}
}
void Son()
{
	while(1)
	{
		P(orange);
		//取橘子
		V(empty);
		//吃橘子
	}
}

例6 读者写者问题

问题描述：有两组进程，读者和写者共享一个文件，允许多个读者同时执行读操作，任一写者在完成写操作前不允许其他读者或写者工作，写者执行写操作前应让已有的写者和读者全部退出。【即读读不互斥，读写互斥，写写互斥】

int rc; //读进程计数器
rc=0;
semaphore W,R; //W保证文件读写操作的互斥；R保证rc计数器操作的互斥
W=1;
R=1;
void Reader()
{
	P(R);
	rc=rc+1;
	if(rc==1) P(W); //第一个读的人
	V(R);
	//读文件
	P(R);
	rc=rc-1;
	if(rc==0) V(W); //最后一个读的人
	V(R);
}
void Writer()
{
	P(W);
	//写文件
	V(W);
}

例7 司机售票员问题

semaphore start,open;
start=1; //设定初始时车门关着
open=0;
void Driver()
{
	while(1)
	{
		P(start);
		//启动车辆
		//车辆行驶
		//到站停车
		V(open);
	}
}
void Conductor()
{
	while(1)
	{
		P(open);
		//开门
		//乘客上车，售票
		//关门
		V(start);
	}
}

例8 窄桥问题（类似读者写者问题）

问题描述：可以多个车辆同时南下或者北上，但是不可有车辆同时南下和北上

int scount,ncount; //南下、北上车辆计数
scount=ncount=0;
semaphore mutex; //保证南下北上操作互斥
semaphore smutex; //保证scount计数器操作互斥
semaphore nmutex; //保证nmutex计数器操作互斥
mutex=smutex=nmutex=1;
void South()
{
	P(smutex);
	scount=scount+1;
	if(scount==1) P(mutex); //第一个南下的车辆
	V(smutex);
	//南下过桥
	P(smutex);
	scount=scount-1;
	if(scount==0) V(mutex); //最后一个南下的车辆
	V(smutex);
}
void North()
{
	P(nmutex);
	ncount=ncount+1;
	if(ncount==1) P(mutex); //第一个北上的车辆
	V(nmutex);
	//北上过桥
	P(nmutex);
	ncount=ncount-1;
	if(ncount==0) V(mutex); //最后一个北上的车辆
	V(nmutex);
}

例9 阅读登记问题

问题描述：有一阅览室，读者进入时须先在一张登记表上登记以取得座位号；读者离开时要消掉其登记信息。阅览室有50个座位，登记表每次只允许一位读者进行登记或者注销。读者登记时，如果登记表已满则需在阅览室外等待，直至有空位再登记进入。

semaphore seat,mutex;
seat=50;
mutex=1;
void Read()
{
	P(seat);
	P(mutex);
	//登记表登记
	V(mutex);
	//进入阅览室
	P(mutex);
	//登记表注销
	V(mutex);
	V(seat);
}

总结

• 信号量的数值只能由P、V原语操作改变：
  1）P(s)申请 {s.value- - if(s.value<0) 阻塞}
  2）V(s)释放 {s.value++ if(s.value<=0) 唤醒}
  s>0，表示有s个资源可用；s=0，表示无资源可用，也没有等待的进程；s<0，则|s|表示s等待队列中的进程个数。
• P、V操作必须成对出现，有一个P操作则一定有一个V操作：
  1）当为互斥操作时，它们同处于同一个进程；
  2）当为同步操作时，则不在同一进程中出现；
  3）如果P(s1)和P(s2)两个操作在一起，那么P操作的顺序至关重要，一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时，同步P操作在互斥P操作前，而两个V操作无关紧要。