操作系统——进程同步和进程互斥中的经典问题

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前言

本文的主要内容是进程同步和进程互斥中的经典问题介绍，包括生产者消费者问题、多生产者多消费者问题、吸烟者问题、读者写者问题以及哲学家进餐问题这五部分，重点理解这五种经典问题中的解题思想。

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一、生产者消费者问题

系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。
生产者和消费者共享一个初始为空、大小为 n 的缓冲区。只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待；同时只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待。(两个同步关系)缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。(互斥关系)
生产者消费者问题的示意图如下图所示。

生产者消费者问题有两个同步关系和一个互斥关系，因此要设置三个信号量，它也是一个驱动关系，需要在前操作后执行 V 操作，在后操作之前执行 P 操作，如下图所示。

生产者消费者问题分析步骤：
①关系分析，找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、互斥关系。
②整理思路，根据各进程的操作流程确定 P、V 操作的顺序。
③设置信号量，并根据题目条件确定信号量的初值，其中互斥信号量的初值一般为1，同步信号量的初始值要根据对应资源的初始值设定。
生产者消费者问题代码实现思路如下图所示。

需要注意的是，实现互斥是在同一进程中进行一对 P、V 操作，而实现两进程同步是在两个进程中，一个进程实现 P 操作，另一个进程实现 V 操作。
相邻 P 操作的顺序不可交换，即实现同步的 P 操作在前，实现互斥的 P 操作在后。相邻的 V 操作可以互换位置，因为其不会导致进程阻塞。
相邻的 P 操作交换顺序后存在的问题如下图所示。

实现互斥的 P 操作一定要在实现同步的 P 操作之后。
“生产一个产品”和“使用产品”等非必要代码是可以放在 P、V 操作之间的，但是会导致进程间的并发度降低，因此一般将这种代码放在 P、V 操作外面。

二、多生产者多消费者问题

多生产者多消费者问题描述：桌子上有一只盘子，每次只能向其中放入一个水果。爸爸专门向盘子中放苹果，妈妈专门向盘子中放橘子，儿子专等着吃盘子中的橘子，女儿专等着吃盘子中的苹果，只有盘子为空时，爸爸或妈妈才可以向盘子中放入一个水果，仅当盘子中有自己需要的水果时，儿子或女儿可以从盘子中取出水果。

该问题中的互斥关系为：对盘子的访问要互斥的进行。
同步关系有：
①父亲将苹果放入盘子后，女儿才能取走苹果。
②母亲将橘子放入盘子后，儿子才能取走橘子。
③只有盘子为空时，父亲或母亲才能放入水果。
在分析同步问题，也就是一前一后的问题时，不能从单个进程行为的角度来分析，而要把一前一后发生的事看做是两种事件的前后关系。
从单个进程行为的角度考虑，则对于该问题有以下结论：如果盘子里装有苹果，那么一定要女儿取走苹果后父亲或母亲才能再放入水果；如果盘子里装有橘子，那么一定要儿子取走橘子后父亲或母亲才能再放入水果。示意图如下图所示。

正确的分析方法应当是从事件的角度考虑，可以把上述四对进程行为的前后关系抽象为一对事件的前后关系，即盘子变空事件——>放入水果事件。盘子变空事件即可由儿子引发，也可由女儿引发，放入水果事件既可能是父亲执行，也可能是母亲执行，这样分析的话，用一个同步信号量就可以解决问题了。示意图如下图所示。

多生产者多消费者问题代码实现思路如下图所示。

在这个问题中，如果不设互斥信号量也是可以实现对盘子的互斥访问的，因为缓冲区的大小为1，在任何时刻，apple、orange 和 plate 三个同步信号量中最多只有一个为1，因此在任何时刻，最多只有一个进程的 P 操作不会被阻塞，并顺利的访问到临界资源。
如果把缓冲区(盘子)的数量设置为2，此时如果不设置互斥信号量，父亲进程和母亲进程会同时访问盘子这个临界资源，这时就可能导致数据覆盖的问题，因此必须设置互斥信号量。
缓冲区的大小为1时，有可能不需要设置互斥信号量就可以实现互斥访问缓冲区的功能。

三、吸烟者问题

吸烟者问题其实就是一个单生产者多消费者问题。
吸烟者问题描述：假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程，每个抽烟者不停地卷烟并抽掉它，但是要卷起并抽掉一只烟，抽烟者需要三种材料：烟草、纸和胶水。三个抽烟者中，第一个拥有烟草，第二个拥有纸，第三个拥有胶水，供应者进程无限地提供三种材料且每次将两种材料放在桌子上，拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它，并给供应者进程一个信号告诉完成了，供应者就会再放另外两种材料到桌上，这个过程一直重复，让三个抽烟者轮流地抽烟。

该问题中的互斥关系为：对桌子上物品地访问要互斥的进行。
同步关系有：
①桌子上有纸和胶水，第一个抽烟者取走东西。
②桌子上有烟草和胶水，第二个抽烟者取走东西。
③桌子上有烟草和纸，第三个抽烟者取走东西。
④发出完成信号，供应者再放另外两种材料到桌上。
互斥关系和同步关系表现在图上如下图所示。

吸烟者问题代码实现思路如下图所示。

该问题中没有设置互斥信号量，因为缓冲区的数量为1，所以在任何时刻，最多只有一个进程的 P 操作不会被阻塞，并顺利的访问到临界资源。

四、读者写者问题

读者写者问题描述：有读者和写者两组并发进程，它们共享一个文件，当两个或两个以上的读进程同时访问共享数据时不会出现问题，但若某个写进程和其他进程(这里既包括读进程，也包括写进程)同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误，因此有以下几点要求：
①允许多个读者可以同时对文件执行读操作；
②只允许一个写者往文件中写信息；
③任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作；
④写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。

该问题中的互斥关系有：写进程和写进程；写进程和读进程。
写进程和任何进程都互斥，可以设置一个互斥信号量 rw，在写者访问共享文件前后分别执行 P、 V 操作，在读者访问共享文件前后也要对互斥信号量 rw 分别执行 P、 V 操作。如果所有读者进程在访问共享文件之前都对互斥信号量 rw 执行 P 操作，那么会导致各个读进程之间也无法同时访问文件。那么怎么解决这个问题呢？
其实对互斥信号量 rw 的 P、 V 操作可以看做是对共享文件的“加锁”和“解锁”，读进程需要同时访问，读进程和写进程又必须互斥访问，那么可以让第一个访问共享文件的读进程“加锁”，让最后一个访问完文件的读进程“解锁”。可以通过设置一个整数变量 count 来记录当前有几个读进程在访问共享文件。
读者写者问题代码实现思路如下图所示。

为了不使各读进程之间因并发执行而发生阻塞，需要设置一个互斥信号量来保证各读进程对 count 的访问是互斥的。
以后需要实现一气呵成的问题时，应当想到使用互斥信号量。
以上的代码还有一个问题：只要有读进程还在读，写进程就要一直阻塞等待，可能发生饿死，在这种情况下，读进程是优先的。
下图是考虑了写进程饥饿问题后的改进代码，即再引入一个互斥信号量 w。

这种方法下可以实现多个读进程同时读文件，写者和其他进程不能同时访问文件，写者也不会一直等待，但这种方法也不是真正的写优先，而是相对公平的先来先服务原则，称为读写公平法。

五、哲学家进餐问题

哲学家进餐问题描述：一张圆桌上坐着5名哲学家，每两个哲学家之间的桌子上摆一根筷子，桌子中间是一盆食物，哲学家们倾注毕生的精力用于思考和进餐，哲学家在思考时，并不影响其他人，只有当哲学家饥饿时，才试图拿起左、右两根筷子，筷子的拿起是一根一根进行的。如果筷子已经在他人手上，则需要等待，饥饿的哲学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐，当进餐完毕后，放下筷子继续思考。

如果按照下面的代码实现，那么很可能出现死锁，即如果第一个人拿起了左边的筷子就发生进程切换，然后依次第二个人也拿起左边的筷子就发生进程切换，这样直到五个人都拿起左边的筷子，最后再切换回任何一个进程，他们都拿不起右边的筷子，因此会发生死锁。

那么如何防止死锁的发生呢？
方法一：可以对哲学家进程施加一些限制条件，比如最多只允许四个哲学家同时进餐，这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的。
方法二：给哲学家编号，然后奇数号的哲学家先拿左边的筷子，再拿右边的筷子，偶数号的哲学家则先拿右边的筷子，再拿左边的筷子，用这种方法就可以保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭，那么只会有其中的一个可以拿起其中的一只筷子，另一个会直接阻塞，这就避免了一个哲学家占有一只筷子后再等待另一只筷子的情况。
方法三：仅当一个哲学家左右两只筷子都可用时才允许他拿起筷子。
方法三的代码实现思路如下图所示。

这种方法下，各哲学家拿筷子这件事必须互斥的执行，这就保证了即使一个哲学家在拿筷子拿到一半时被阻塞，也不会有别的哲学家会继续尝试拿筷子，这样的话，当前正在吃饭的哲学家放下筷子后，被阻塞的哲学家就可以获得等待的筷子了。

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总结

以上就是操作系统——进程同步和进程互斥中经典问题的所有内容了，这几个经典问题为我们后面解决类似的问题提供了可借鉴的思路，在今后遇到进程同步和进程互斥问题时，可以往这几个经典问题上靠，看看哪个是最适合解决问题的。
参考视频：
生产者消费者问题
多生产者多消费者问题
吸烟者问题
读者写者问题
哲学家进餐问题