第2章 2-4经典同步问题

1.生产者—消费者问题

        The proceducer – consumer problem：多个生产者和消费者对n个缓冲区的使用。

        不考虑互斥、同步问题会导致counter计数错误

        如何设置信号量？从资源、顺序两个角度分析：

                ①无论生产者、消费者使用缓冲池时应保证互斥使用（互斥信号量mutex）

                ②生产者和消费者间交叉有序：

                        有序的控制最根源在产品数量上。

                        设置两个信号量：分别针对生产者、消费者设置不同的信号量，empty和full分别表示缓冲池中空缓冲池和满缓冲池（即产品）的数量。

empty、full两者有天然的数量关系，在PV控制下值不断变化，但在值等于0的点上是控制顺序的关键。

变量和信号量

        buffer: array [ 0, …, n-1] of item;

        in, out: integer :=0, 0;

        不使用Counter变量，而是用信号量

        Var  mutex,empty, full:semaphore :=1,n, 0;

检查：

        ①每个程序中用于实现互斥的wait(mutex)和signal(mutex)必须成对地出现。

        ②控制顺序的信号量empty和full的wait和signal操作，成对地出现在不同的进程中。

        ③在每个程序中的多个wait操作顺序不能颠倒。且应先执行对资源信号量的wait操作，再执行对互斥信号量的wait操作，否则可能引起进程死锁。

        ④模拟交替执行过程，检查控制是否正确。

模拟交叉运行

AND信号量的方式

1）记录型信号量解决哲学家进餐问题

        筷子是临界资源，在一段时间内只允许一个哲学家使用。为实现对筷子的互斥使用，用一个信号量表示一只筷子，五个信号量构成信号量数组。

            Var chopstick: array [0, …, 4] of semaphore;

            所有信号量均被初始化为1。

        当哲学家饥饿时，总是先拿左边的筷子，再拿右边的筷子。

        当哲学家进餐毕，先放下左边的筷子，再放下右边的筷子。

2）就餐死锁问题

        假如五位哲学家同时饥饿而各自拿起左边的筷子时，就会使五个信号量chopstick均为0，当他们再试图去拿右边的筷子时，都将因无筷子可拿而无限等待。

解决方法：

            数量控制：

                    至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少有一位哲学家能够进餐，并在用毕后释放出他用过的两只筷子，从而使更多的哲学家能够进餐。---限制并发执行的进程数

                一刀切：

                      仅当哲学家的左右两只筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。---采用AND信号量。

IF编程控制

            规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿右边的筷子；偶数号哲学家则相反。保证总会有一个哲学家能同时获得两只筷子而进餐

if I mod 2=0

  …

else

  …

3.读者——写者问题

        一个数据文件被多个进程共享。Reader进程只要求读文件，Writer进程要求写入内容。

        合理的同步关系是：

                多个读进程可同时读；

                Writer进程与任何其他进程（包括Reader进程或其他Writer进程）不允许同时访问文件。

解决思路

        写者操作要和其他的都互斥，所以必要判断互斥信号量没有变化：

        只有第一个读进程进行互斥判断；

        只要有一个“读进程”在读就不释放，“写进程”就不能写。（一种读者优先的方式）

解决读者问题的关键：除第1读者，其他读者不申请读写互斥信号量，防止读者间互斥。

类似问题

        单行问题

                同向不互斥，异向互斥

        船闸问题

                同闸航道不互斥，不同闸的互斥

利用信号量集机制解决读者——写者问题

•引入信号量L控制读者的数目，初值为RN。

•互斥信号量mx，初值为1。

•利用信号量集的一种特殊情况——开关。

        读者：判断L，判断是否有写者；

        写者：判断是否有读者；