生产者消费者问题
问题描述：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（产品：某种数据）
生产者、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（同步关系：缓冲区满要等待消费者取走产品）
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（同步关系：缓冲区空要等待生产者放入产品）
缓冲区是临界资源，各进程必须互斥访问（互斥关系）
- 关系分析：如上括号内容
- 整理思路：PV操作的大致顺序。生产者每次要消耗一个缓冲区，生产一个产品；消费者每次要消耗一个产品，释放一个缓冲区；放入和取走需要互斥。三对PV操作，三对信号量
信号量设置
semaphore mutex = 1; // 互斥信号量，用于实现对缓冲区的互斥访问
semaphore empty = n; // 同步信号量，表示空闲缓冲区的数量
semaphore full = 0; // 同步信号量，表示产品的数量
producer(){
while(1){
produce a product;
P(empty);
P(mutex);
put the product into buffer;
V(mutex);
V(full);
}
}
consumer(){
while(1){
P(full);
p(mutex);
get a product from buffer;
V(mutex);
V(empty);
use the product;
}
}
实现互斥是在同一进程中进行一对PV操作
实现两进程的同步是在其中一个执行P，另一个执行V
能够改变相邻P、V操作的顺序吗
- 实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后
如果交换P的顺序，若此时已经放满产品，empty = 0，full = n。由于生产者进程执行P(mutex)，mutex变为0，再执行P(empty)，由于没有空闲缓冲区，生产者被阻塞，等待消费者消费产品。消费者进程中执行P(mutex)，将mutex变为-1，消费者进程被阻塞，等待生产者将mutex解锁。两者一起等待被对方唤醒，陷入死锁 - V操作可以交换，因为V操作不会导致进程阻塞
能把生产产品和使用产品放入临界区吗
可以，但是会使得临界区代码量变大，访问临界区需要更长时间，进程的并发度会降低
多生产者多消费者问题
问题描述：桌子上有一个盘子，每次只能向其中放入一个水果，爸爸放苹果，妈妈放橘子，儿子吃橘子，女儿吃苹果，盘子空时，才可放入一个水果，当盘子有自己需要的水果才可以取水果，设计PV操作
大小为1，初始为空的缓冲区
父母为两个生产者进程
儿女为两个消费者进程
- 关系分析
互斥关系：对盘子的访问互斥进行（mutex = 1）
同步关系：父亲放了女儿吃（apple = 0），母亲放了儿子吃（orange = 0），女儿或儿子吃了父亲母亲才能放（plate = 1，盘子能放水果的数量，缓冲区） - 设置信号量
semaphore mutex = 1;
semaphore apple = 0;
semaphore orange = 0;
semaphore plate = 1;
dad(){
while(1){
prepare an apple;
P(plate);
P(mutex);
put the apple into the plate;
V(mutex);
V(apple);
}
}
mom(){
while(1){
prepare an orange;
P(plate);
P(mutex);
put the apple into the plate;
V(mutex);
V(orange);
}
}
son(){
while(1){
P(orange);
P(mutex);
take an orange from the plate;
V(mutex);
V(plate);
eat the orange;
}
}
daughter(){
while(1){
P(apple);
P(mutex);
take an apple from the plate;
V(mutex);
V(plate);
eat the apple;
}
}
可以不要互斥信号量吗
可以的，即使没有mutex也不会出现多个进程同时访问盘子的现象。因为任何时刻，apple、orange、plate三个同步信号量最多只有一个为1，因此任何时刻，最多只有一个进程的P操作不会阻塞
如果plate为2，就可能出现父母同时访问盘子的情况
吸烟者问题
问题描述：假设一个系统有三个抽烟者喝一个供应者，抽烟者不停卷烟并抽掉，需要三种材料：烟草、纸和胶水。三个抽烟者中，第一个有烟草，第二个有纸，第三个供胶水。供应者无限提供三种材料，每次将两种材料放桌子上，拥有另一种材料的抽烟者就卷烟抽烟，并告诉供应者我完成了，供应者又放另外两种材料，让他们轮流吸烟
关系分析
桌子可以看成容量为1的缓冲区，互斥访问（mutex）
有组合一，抽烟者1可以抽烟（同步关系offer1 = 0）
有组合二，吸烟者2可以抽烟（同步关系offer2 = 0）
有组合三，吸烟者3可以抽烟（同步关系offer3 = 0）
完成信号后，放下一个组合（同步关系plate = 1）
semaphore offer1 = 0;
semaphore offer2 = 0;
semaphore offer3 = 0;
semaphore plate = 1;
semaphore mutex = 1;
provider(){
while(1){
P(plate);
P(mutex);
group1 be put into the plate;
V(mutex);
V(offer1);
P(plate);
P(mutex);
group2 be put into the plate;
V(mutex);
V(offer2);
P(plate);
P(mutex);
group3 be put into the plate;
V(mutex);
V(offer3);
}
}
smoker1(){
while(1){
P(offer1);
P(mutex);
take group1 from the plate;
V(mutex);
V(plate);
}
}
smoker2(){
while(1){
P(offer2);
P(mutex);
take group2 from the plate;
V(mutex);
V(plate);
}
}
smoker3(){
while(1){
P(offer1);
P(mutex);
take group3 from the plate;
V(mutex);
V(plate);
}
}
plate、offer1-3在同一时刻至多一个为1，所以四个进程至多一个不被阻塞，可以不要mutex
实现随机选一个人吸烟：增加变量i，i = random%3
读者写者问题
问题描述：有读者和写者两组并发进程，共享一个文件，允许多个读者进程同时访问共享数据，只允许一个写者进程访问共享数据，读者进程和写者进程不能同时访问共享数据
关系分析
互斥关系：写进程和写进程，写进程和读进程
semaphore rw = 1; // 用于实现文件的互斥访问，表示当前是否有进程在访问共享文件
int count = 0; // 记录当前有多少个读进程在访问文件、
semaphore mutex = 1; // 用于实现对count的互斥访问
semaphore w = 1; // 用于实现写优先
writer(){
while(1){
P(rw);
write;
V(rw);
}
}
// 这个版本如果两个读者并发执行，都判断count = 0，执行P，其中一个会被阻塞
// 原因是count的检查和赋值没有一气呵成，可以增加一个互斥信号量保证对count访问互斥
reader(){
while(1){
if(count == 0)
P(rw);
count++;
read;
count--;
if(count == 0)
V(rw);
}
}
// 改为下面这个版本
// 潜在问题：只要有读进程还在读，写进程就要一直阻塞等待，可能饿死，读进程优先
reader(){
while(1){
P(mutex);
if(count == 0)
P(rw);
count++;
V(mutex);
read;
P(mutex);
count--;
if(count == 0)
V(rw);
V(mutex);
}
}
// writer和reader实现写优先的版本
// 如果两个读者进程并发执行P(w)，读者之间同时读文件不会被影响
// 两个写者并发，一个写者会被阻塞
// 写者和读者，读者会被P(w)阻塞
// 读者和写者和读者2，读者在顺利读文件的时候写者被P(rw)阻塞
// 读者2来的时候，写者执行过P(w)，所以读者2被P(w)阻塞
// 直到写者写完执行V(w)，读者2才能继续
// 写者1读者写者2，写者1写的时候读者写者2会被阻塞在P(w)
// 由于读者先到达，w的阻塞队列中读者优先被唤醒，写者1执行V(w)后唤醒了读者
// 读者读完才到写者2
// 所以这里的写优先并非真正写优先，而是相对公平的先来先服务
writer(){
while(1){
P(w);
P(rw);
write;
V(rw);
V(w);
}
}
reader(){
while(1){
P(w);
P(mutex);
if(count == 0)
P(rw);
count++;
V(mutex);
V(w);
read;
P(mutex);
count--;
if(count == 0)
V(rw);
V(mutex);
}
}
重点：计数器count记录当前读进程访问文件数目；为了解决count的检查赋值一气呵成，增加mutex；为了解决写进程饥饿，加入w互斥量实现公平
哲学家进餐问题
问题描述：圆桌上5名哲学家，每两个哲学家之间摆一根筷子，桌子中间为米饭，哲学家思考不影响他人，哲学家饥饿时才试图拿起筷子（一根一根拿，只能拿自己左右手的筷子），如果筷子在别人手里，就等待，同时拿起两根筷子才能进餐，进餐完毕，放下筷子思考
关系分析
- 5个哲学家进程，哲学家和相邻的两个哲学家对中间的筷子的访问是互斥的
- 如果每个哲学家拿了一根筷子，大家都吃不了饭，造成死锁，如何解决
- 定义互斥信号量chopstick[5] = {1,1,1,1,1}，哲学家01234，i哲学家左边的筷子是i
如何预防死锁呢
- 可以允许最多四个哲学家同时进餐
- 可以令奇数号哲学家先拿左边筷子，偶数号先拿右边筷子
semaphore chopstick[5] = {1,1,1,1,1};
semaphore mutex = 1; // 互斥取筷子
Pi(){
while(1){
P(mutex);
P(chopstick[i]); // 拿左
P(chopstick[(i+1)%5]); // 拿右
V(mutex);
eat hotpot;
V(chopstick[i]); // 放左
V(chopstick[(i+1)%5]; // 放右
think;
}
}
012的顺序，则0吃饭，12都吃不了饭，要等0放下筷子，1才能吃饭，1放了筷子，2吃饭。方案是可行的，但是如果一个哲学家被阻塞在拿筷子步骤，mutex被锁，其他哲学家也别想拿筷子
重点：进程之间只存在互斥关系，每个进程需要同时持有多个临界资源，应该避免循环等待，防止死锁
管程
为什么引入管程
信号量机制编写程序困难，易出错
如何可以不关注复杂的PV操作
管程的组成
- 局部于管程的共享数据结构说明
- 对该数据结构进行操作的一组过程
- 对局部于管程的共性数据设置初始值的语句
- 管程有一个名字
管程的基本特征
- 局部于管程的数据只能被局部于管程的过程所访问
- 一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程访问共享数据
- 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程
将信号量的操作函数封装在管程里，进程通过调用管程的函数来实现功能。可以不用管互斥关系，只关注同步关系（我自己写的）