PV操作经典例题

一、 生产者-消费者问题

【生产者与消费者的同步关系】
生产者：
当有界缓冲区中无空位置时，要等待；
向有界缓冲区放入物品后，要发消息。

消费者：
当有界缓冲区中无物品时，要等待；
从有界缓冲区取出物品后，要发消息。

【解答步骤】

• 分析关系：找到有几个进程，分析他们之间的同步与互斥关系
• 大概框架：根据各进程的操作确定大概顺序
• 信号灯设置：
  两个同步信号灯（S empty：表示空缓冲区数目，初值为n；S full：表示缓冲区满的数目，初值为0）
  一个互斥信号灯（mutex：表示有界缓冲区是否被占用，初值为1，一般互斥都是1）

【程序描述】

//设置信号量
main()
{
semaphore mutex = 1;  //互斥信号量，实现对缓冲区的互斥访问
semaphore empty = n;  //同步信号量，空闲缓冲区的数量
semaphore full = 0;  //同步信号量，产品数量/非空缓冲区的数量

cobegin
	p1();p2();  //p为生产者
	c1();c2();  //c为消费者
coend
}

pi()
{
	while(1)  //生产未完成
	{
		生产一个产品;
		P(empty);  //消耗一个空闲缓冲区
		P(mutex);  //实现互斥是保证在同一进程中进行一对PV操作
		把产品送到有界缓冲区;
		V(mutex);
		V(full);  //增加一个产品，实现同步！
	}
}

ci()
{
	while(1)  //生产未完成
	{
		生产一个产品;
		P(full);  //消耗一个产品，实现与生产者的同步！
		P(mutex);
		从有界缓冲区取出一个产品;
		V(mutex);  
		V(empty);  //增加一个空闲缓冲区
		消费一个产品;
	}
}

提醒：
①实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后（否则会造成死锁！）
②两个V操作不会导致进程阻塞，故可以交换！

二、读者-写者问题

【问题描述】
一个数据对象可以为多个并发进程所共享。其中有的进程可能只需要读共享对象的内容，而其他进程可能要更新共享对象（即读和写）。
读读不互斥；读写、写写互斥。

1.读者优先

仅当无读者等待时，才允许写者执行，即读者优先

【程序描述】

//第一读者-写者问题
main()
{
	semaphore wrt = 1;  //互斥信号量，写者与其他读者/写者互斥的访问
	semaphore mutex = 1;  //互斥信号量，互斥访问临界资源readcount
	int readcount = 0;  //记录目前的读者数
	cobegin
		Reader1();
		Reader2();
		...
		Writer1();
		Writer2();
	coend
}

Writer()
{
	while(1)
	{
		P(wrt);  //互斥语句，或写成wait(wrt);
		写者执行;
		V(wrt);  //互斥语句，或写成signal(wrt);
	}
}

Reader()
{
	while(1)
	{
		P(mutex);  //PV保护临界资源
		readcount++;  //读者进后读者数+1
		if(readcount == 1)  
			P(wrt);  //第一个读者判断有无写者，有就进不了，没有就可以进并且阻塞写者
		V(mutex);
		
		读者执行;
		
		P(mutex);
		readcount--;
		if(readcount == 0)
			V(wrt);  //当没有读者，则写者可进
		V(mutex);
	}
}

2.写者优先（相对公平）

在读者与写者同时申请资源的时候，写者优先
（插后面未运行的读者的队而不是正在运行的读者的队）

【程序描述】

//第二读者-写者问题
main()
{
	semaphore wrt = 1;  //互斥信号量，写者与其他读者/写者互斥的访问
	semaphore mutex = 1;  //互斥信号量，互斥访问临界资源readcount
	semaphore w = 1;  //用于实现"写"优先
	int readcount = 0;  //记录目前的读者数
	cobegin
		Writer1();
		Writer2();
		...
		Reader1();
		Reader2();
	coend
}

Writer()
{
	while(1)
	{
		P(w);  //申请读取权限
		P(wrt);
		写者执行;
		V(wrt);
		V(w);  //释放读取权限
	}
}

Reader()
{
	whlie(1)
	{
		P(w);  //申请不到权限则一直等待
		P(mutex);  //多个读者互斥
		if(readcount == 1)  //第一个读者判断有无写者，有就进不了，没有就可以进并且阻塞写者
			P(wrt);
		readcount++;
		V(mutex);  //释放互斥信号量
		V(w);
		
		读者执行;
		
		P(mutex);
		readcount--;
		if(readcount == 0)
			V(wrt);
		V(mutex);
	}
}

三、哲学家进餐问题

【问题描述】

【问题分析】

• 筷子是临界资源，因为在一段时间内只允许一位哲学家使用
• 筷子的互斥使用：一个信号量表示一只筷子，五只筷子构成信号量数组semaphore chopstick[5] = {1，1，1，1，1} //初始化为1

【程序描述】

semaphore chopstick[5] = {1，1，1，1，1}  //初始化为1

Pi()  //第i位哲学家结构
{
	do {
		wait(chopstick[i]);  //取左筷子i
		wait(chopstick[(i + 1) % 5]);  //因为是圆桌，若i=0则i的右手边为第5根筷子
		…
		吃饭;
		…
		signal(chopstick[i]);
		signal(chopstick[(i + 1) % 5]);
		…
		思考;
		…
	} while (1);
}

【问题】

• 若5位哲学家同时拿起筷子，则会发生死锁！

【解决】

• 至多允许4位哲学家同时进餐：设置一个信号量semaphore count = 4控制最多只允许4位同时进餐

semaphore chopstick[5] = {1，1，1，1，1};  //初始化为1
semaphore count = 4;
Pi()  //第i位哲学家结构
{
	do {
		wait(count);  //判断是否超过四个人进餐
		wait(chopstick[i]);  //取左筷子i
		wait(chopstick[(i + 1) % 5]);  //因为是圆桌，若i=0则i的右手边为第5根筷子
		…
		吃饭;
		…
		signal(chopstick[i]);
		signal(chopstick[(i + 1) % 5]);
		signal(count);  //用餐完毕释放资源
		…
		思考;
		…
	} while (1);
}

• 对哲学家进行编号：奇数先拿左边再拿右边，偶数先拿右边在拿左边（若相邻哲学家同时拿起，则必有一方阻塞）

semaphore chopstick[5] = {1，1，1，1，1}  //初始化为1

Pi()  //第i位哲学家结构
{
	do {
		if(i%2 == 1)  //奇数号
		{
			wait(chopstick[i]);  //取左筷子i
			wait(chopstick[(i + 1) % 5]);  //因为是圆桌，若i=0则i的右手边为第5根筷子
		}
		else  //偶数号
		{
			wait(chopstick[i+1]%5);  //取右
			wait(chopstick[i]);  //取左
		}
		…
		吃饭;
		…
		signal(chopstick[i]);
		signal(chopstick[(i + 1) % 5]);
		…
		思考;
		…
	} while (1);
}

四、练习

1.水果问题

桌上有一个盘子，可以放一个水果；
父亲总是放苹果到盘子中；
母亲总是放香蕉到盘子中。
一个儿子专等吃盘中的香蕉；
而一个女儿专等吃盘中的苹果。
父母只放水果不吃，儿女只吃水果不放。
实现父亲，母亲，儿子，女儿的进程同步。
用PV操作实现下述问题的解

2.和尚打水问题

某寺庙，有小，老和尚若干，有一个水缸，有小和尚打水入缸供老和尚取水饮用。
水缸可以放10桶水。水桶总数为3个。
每次入、取缸水只能是1桶，且不可以同时进行。
小和尚从一个井里面打水。水井狭窄，每次只能容纳一个桶取水。
试用信号量和P，V操作给出小和尚打水入缸和老和尚从缸里取水的算法描述

3.餐厅职员问题

一个快餐厅有4类职员：
（1）领班：接受顾客点菜，出菜单；
（2）厨师：根据菜单，准备顾客的饭菜；
（3）打包工：将做好的饭菜打包；
（4）出纳员：收款并提交食品。
每个职员可被看作一个进程，试用一种同步机制写出能让四类职员正确并发运行的程序。

4.汽车站点问题

在公共汽车上，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：上下乘客，关车门，售票，开车门，上下乘客。
在汽车不停的到站，停站，行驶过程中，这两个活动有什么同步关系？用信号量和P，V操作实现它们的同步。

5.进程流图问题

假设有一个作业由四个进程组成，这四个进程在运行时必须按如图所示的次序依次执行，试用P,V原语表达四个进程的同步关系。

6.观察者-报告者问题

用P，V操作实现下述问题的解：
观察者和报告者是两个并发执行的进程，观察者不断观察并对通过的卡车计数，报告者定时的将观察者的计数值打印，打印完毕，将计数值清零。

7.阅览室问题

假定阅览室最多可同时容纳100个人阅读，读者进入时，必须在阅览室门口的一个登记表上登记，内容包括姓名、座号等，离开时要撤掉登记内容。
用P、V操作描述读者进程的同步算法