第2章 2-5信号量习题

1.读者与写者问题（写者优先方式）

读者优先的关键：

          若读者先占有互斥信号量，只有最后一个读者离开，计数降为0时才释放信号量，导致写者弱势。

写者优先同上述方法：

          写者先占有某信号后，直到最后一个写者走完才释放该信号，读者才能进入。

                增加一个互斥信号量S，读者和写者都争抢该信号；

                对写者也进行计数，第1个写者申请S，其他写者不需要申请S；最后一个写者离开时才释放信号量S.

                一旦写者先申请到了S，则所有的读者只能等待写者都走完才可进入共享读。而多个写者通过S后，仍要争抢wmutex信号以完成互斥的写入。

用到的变量

        读者间起作用：

                Readcount变量，rmutex信号量

        写者间起作用：

                writecount变量，mutex信号量

        读者与写者间起作用：

                wmutex

                S

2.黑白棋子问题

问题描述

          两个人下棋，一方执黑棋，一方执白棋。要求双方轮流下子。给出两种情况的解决办法：

                  1）执黑子一方先下

                  2）双方都可以先下，谁先抢到棋盘谁先下。然后开始轮流下子。

3.嗜睡的理发师问题

问题描述

          一个理发店有N个沙发，1个理发椅；

        理发师：

                持续睡觉，理发，收钱的动作

        顾客：

                若有沙发，进入等待；否则离开。

                理发椅空，一顾客放弃沙发，去唤醒它理发；

                理发后付费，付费完毕离开理发椅，离店。

•共享变量count的使用需要互斥。

•注意if分支加入后P、V操作配对核对清楚

4.生产与销售问题

问题描述

          设一无限大仓库。就1个门，不允许同时入库，也不允许边入库边出库。

            1）两个生产者A,B生产各自的产品入库；但要求满足关系Sa-Sb在限定的[-n,m]差值范围内。

            2）一个销售者取产品销售，但对两种产品的卖出进度要把握在Ma-Mb也在[-n,m]范围内。

同步关系分析

        互斥：三人在对仓库的使用上必须互斥（mutex=1）

        顺序关系：

                1)生产者AB之间：因为假设仓库无限大，不需考虑空的限制。控制其能否生产的关键是再生产一个能否满足Sa-Sb在限定的[-n,m]范围内。

                            A、B关心的都是各自的生产指标数量，即A关心x=A-B这个变量的值，同样B关心y=B-A。

                            初值：初始若无产品，A最多可生产m个，B最多可生产n个。自己生产一个必然使对方可以多生产一个。

                2)生产与消费之间

                            关心卖出的A、B间的差值

信号量机制的不足：

        信号量的控制分布在多个进程中

                正确性分析困难；

                分散的P、V操作：易出错，使用不当可能导致死锁。

                修改、维护困难：易读性差，任一修改都可能影响全局；测试期间发现错误困难，即使发现错误也不容易定位出错位置。

管程(monitor)机制

        1973年，Hoare和Hanson提出管程思想：将共享变量及对共享变量能够进行的所有操作集中在一个模块中。（把信号量及其操作原语“封装”在一个对象内部）

1.管程的组成

        ①一组局部变量

        ②对局部变量操作的一组过程

        ③对局部变量进行初始化的语句。（联想面向对象中的类）

2.管程特点

            任何进程只能通过调用管程提供的过程入口才能进入管程访问共享数据；

                    就如同使用临界资源，就要先通过其信号量的申请。

            任何时刻，仅允许一个进程在管程中执行某个内部过程。

管程如何实现同步？

        对共享变量互斥操作：

                管程的特点直接实现了该要求，进程一次一个进入管程调用内部过程操作共享变量。

                管程的互斥访问完全由编译程序在编译时自动添上，无须程序员关心，能保证正确。

        操作的同步控制：

                靠条件变量的操作管理实现。

                进入管程但不能获取资源操作的过程将阻塞，并在满足条件时被唤醒执行。

生产者-消费者问题的管程解决方法

3.条件变量

        （主要作用就是进程同步的阻塞和唤醒控制）

        局部于管程的变量有两种：

                普通变量

                条件变量（用于控制进程阻塞和唤醒）

                        类似信号量变量，但不取具体值；相当于每个阻塞队列的队列指针。

                        对条件变量的操作需结合对普通变量的条件判断，从而控制进程状态。

关于条件变量的操作

        x.wait将执行进程挂到x对应的等待队列上；

        x.signal唤醒x相应的等待队列上的一个进程。

                signal操作，是重新启动一个被阻塞的进程，但如果没有进程被阻塞，则不产生任何效果

                而信号量机制中的signal操作，若没有需要唤醒的进程，必须要做的还有修改信号量变量的值。

管程的优点

        保证进程互斥地访问共享变量，并方便地阻塞和唤醒进程。管程可以以函数库的形式实现。相比之下，管程比信号量好控制。

        管程可增强模块的独立性：系统按资源管理的观点分解成若干模块，用数据表示抽象系统资源，使同步操作相对集中，从而增加了模块的相对独立性

        引入管程可提高代码的可读性，便于修改和维护，正确性易于保证：采用集中式同步机制。一个操作系统或并发程序由若干个这样的模块所构成，一个模块通常较短，模块之间关系清晰。

管程的缺点

        大多数常用的编程语言中没有实现管程，如果某种语言本身不支持管程，那么加入管程是很困难的。

        虽然大多数编程语言也没有实现信号量，但可将P、V操作作为一个独立的子例程或操作系统的管理程序调用加入。