计算机操作系统教程--核心与设计原理习题5答案

} 5.19 进程之间有哪些基本的通信方式？它们分别有什么特点？适用于哪些场合？ 答：进程通信根据交换信息量的多少分为高级通信和低级通信。低级通信一般只传 送一个或几个字节的信息，以达到控制进程执行速度的作用（如 PV 操作）；高级通信 则要传送大量数据，目的不是为了控制进程的执行速度，而是为了交换信息。 高级进程通信方式有很多种，大致可归并为三类：共享存储器、管道文件和消息传 递。 共享存储器：在内存种分配一片空间作为共享存储区。需要进行通信的进程把它附 加到自己的地址空间中，不需要时则把它取消。 管道文件：它是连接两个命令的一个打开文件。一个命令向该文件中写入数据，为 写者；另一个命令从该文件中读出数据，为读者。 消息传递：它以消息为单位在进程间进行数据交换。 5.20 试比较进程间的低级通信工具与高级通信工具。 答：用户用低级通信工具实现进程通信很不方便，因为其效率低，通信对用户不透 明，所有的操作都必须由程序员来实现。而高级通信工具则可弥补这些缺陷，用户可直 接利用操作系统所提供的一组通信命令，高效地传送大量的数据。 5.21 试 用 信 箱 通 信 方 式 解 决 生 产 者 － 消 费 者 问 题 。 答：在本题解决方案中，使用了两个信箱 mayproduce 和 mayconsume，两个信箱的 大小均为 N，即其中最多可以存放 N 条消息。当生产者生产了数据时，它将数据作为消 息发送到信箱 mayconsume，只要该信箱中有一条消息，消费者就可以开始消费。信箱 mayproduce 最初填满了空消息，空消息的条数等于信箱的容量与 mayconsume 信箱中消 息条数之差(其作用类似于用信号量机制解决生产者一消费者问题中的 empty)。当生产 者向消费者发送一条消息时，mayproduce 信箱中的消息条数减少，mayconsume 信箱中 的消息条数增加；当消费者接收一条消息时，mayconsume 信箱中的消息条数减少，而 mayproduce 信箱中的消息条数增加。系统中的消息总条数保持不变。 const int capacity=N; /*N 为信箱容量*/ null=...; /*这里“...”为空消息*/ int i; main( ) { create_mailbox(mayproduce); create_mailbox(mayconsume); for(i=1; i<=capacity; i++) send(mayproduce, null); cobegin producer( ); /*创建信箱 mayproduce*/ /*主程序*/
}
5.12 在生产者一消费者问题中，如果缺少了 V（full)或 V（empty） ，对执行结果会有 何影响? 答：生产者可以不断地往缓冲池送消息，如果缓冲池满，会覆盖原有数据，造成数 据混乱。而消费者始终因 P(full)操作将消费进程直接送入进程链表进行等待，无法访
问缓冲池，造成无限等待。 5.13 在生产者一消费者问题中，如果将两个 P 操作即 P（full）和 P(mutex)互换位置; 或者是将 V（full）和 V(mutex)互换位置，结果会如何？ 答：a.容易造成死锁。 b．从逻辑上来说应该是一样的。 5.14 画图说明管程由哪几部分组成?为什么要引入条件变量? 答：图略。因为调用 wait 原语后，使进程等待的原因有多种，为了区别它们，引 入了条件变量。 5.15 设 S1 和 S2 为两个信号灯变量，下列八组 P、V 操作哪些可以同时进行?哪些不能 同时进行?为什么? (1) P(S1)，P(S2) (2) P(S1)，V(S2) (3) V(S1)，P(S2) (4) V(S1)，V(S2) (5) P(S1)，P(S1) (6) P(S2)，V(S2) (7) V(S1)，P(S1) (8) V(S2)，V(S2) 答：能同时进行的包括：(1)、(2)、(3)、(4)。这些操作涉及不同信号量，属于关 于不同组共享变量的临界区。不能同时进行的包括：(5)、(6)、(7)、(8)。这些操作涉 及相同的信号量，属于关于同一组共享变量的临界区。 5.16 对于生产者—消费者问题， 假设缓冲区是无界的， 试用信号灯与 PV 操作给出解法。 答：由于是无界缓冲区，所以生产者不会因得不到缓冲区而被阻塞，不需要对空缓 冲区进行管理，可以去掉在有界缓冲区中用来管理空缓冲区的信号量及其 PV 操作。 Semaphore mutex_in=1; Semaphore mutex_out=1; Semaphore empty=0; int in=0, out=0; 消费者活动： 生产者活动： while(1){ while(1){ P(empty); produce next product; P(mutex_out); P(mutex_in); Add the product to buffer[in]; Take the product from buffer[out]; out++; in++; V(mutex_out); V(mutex_in); } V(empty); } 设公共汽车上有一个司 5.17 试用信号灯与 PV 操作实现司机与售票员之间的同步问题。 机和一个售票员，其活动如下图所示. 司机的活动 P1： While（1） { 启动车辆； 正常行车； 到站停车； } 售票员的活动 P2： While（1） { 关车门； 售票； 开车门； }
S4(); S5(); S6(); S7(); coend } 各个进程的语句形式如下: void S1() { …… V(f1); V(f1); } void S4() { P(f2); …… V(f4); } void S2() { P(f1); …… V(f2); V(f2); } void S5() { P(f2); …… V(f5); } void S3() { P(f1); …… V(f3); } void S6() { P(f3); …… V(f6); } void S7() { P(f4); P(f5); P(f6); ……
5.10 我们为某临界区设置一把锁 W，当 W=1 时，表示关锁;W=0 时，表示锁打开。试写 出开锁原语和关锁原语，并利用它们去实现互斥。 答：开锁原语: void unlock(W) { W=0; } 关锁原语: void lock(W) {while (W==1) { }; W=1; } 利用开关锁原语实现互斥: semaphore W=0; main ( ) { cobegin Pn ( ) /*并发的进程 P1、P2、……Pn */ { lock(W); 临界区; unlock(W); 其余部分; } …… coend } 5.11 试写出相应的程序来描述图 5.8 所示的前趋图。
}
(b)另一种做法： 设 7 个同步信号量f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8 分别表示进程S2、S3、S4、S5、S6、S7、 S8是否可以开始执行，其初值均为 0。 semaphore f2=f3=f4=f5=f6=f7=f8=0； 主程序:略（类似 a） 这 8 个进程的语句形式如下: void S1() { …… V(f2); V(f3); } void S5() { P(f5); …… V(f8); } void S2() { P(f2); …… V(f4); V(f5); } void S6() { P(f6); …… V(f8); } void S3() { P(f3); …… V(f6); V(f7); } void S7() { P(f7); …… V(f8); } void S4() { P(f4); …… V(f8); } void S8() { P(f8); P(f8); P(f8); P(f8); ……
S1 S2 S2 S1 S3
S3 S5
S4
Hale Waihona Puke S6S4S5
S6
S7
S7 （a） 图 5.8 前趋图
S8 （b）
答：(a)设 6 个同步信号量f1、f2、f3、f4、f5、f6 分别表示进程S1、S2、S3、S4、S5、S6是 否执行完成，其初值均为 0。这 7 个进程的同步描述如下： 主程序如下: semaphore fl=f2=f3=f4=f5=f6=0； main ( ) { cobegin S1(); S2(); S3();
习题 5 答案
习题 5 5.1 何谓与时间有关的错误?举例说明之。 答：并发进程的执行实际上是进程活动的某种交叉，某些交叉次序可能得到错误结 果。由于具体交叉的形成与进程的推进速度有关，而速度是时间的函数，因而将这种错 误称为与时间有关的错误。例子略。 5.2 什么是临界资源？什么是临界区？ 答：一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源；在每个进程中，访问临界资源 的那段程序称为临界区。 5.3 试分析临界区的大小与系统并发性之间的关系。 答：关于同一组变量的临界区是不能并发执行的代码，临界区越大，并发性越差， 因而编写并发程序应尽量缩小临界区域范围。 5.4 为何开关中断进程互斥方法仅在单 CPU 系统中是有效的？ 答：关中断方法不适用于多 CPU 系统，因为关中断只能保证 CPU 不由一个进程切换 到另外一个进程，从而防止多个进程并发地进入公共临界区域。但即使关中断后，不同 进程仍可以在不同 CPU 上并行执行关于同一组共享变量的临界区代码. 5.5 进程的互斥和同步有什么异同点？ 答：进程的同步和互斥是指进程在推进时的相互制约关系。 进程同步源于进程合作，是进程间共同完成一项任务是直接发生相互作用的关系。 是进程之间的直接制约关系。进程互斥源于对临界资源的竞争，是进程之间的间接制约 关系。 5.6 试说明进程互斥、同步和通信三者之间的关系。 答：进程的同步和互斥是指进程在推进时的相互制约关系，已经在上题中给出了详 细的解答。 由于进程间存在制约关系，为了保证进程的正确运行以及相互合作进程间的信息交 换，就需要进程之间进行通信。进程通信是指进程间的信息交换，分为高级通信和低级 通信，高级通信以较高的效率传送大批数据。进程之间的互斥与同步也是一种通信，由 于交换的信息量很小，因此这种进程通信称为低级进程通信。 5.7 同步机构应遵循哪些基本准则? 答：a.空闲让进. b.忙则等待. c.有限等待. d.让权等待. 5.8 试从物理概念上说明信号量 P、V 操作的含义。 答：P(S)表示申请一个资源，S.value>0 表示有资源可用,其值为资源的数目； S.value=0 表示无资源可用；S.value<0, 则|S.value|表示 S 等待队列中的进程个数。 V(S)表示释放一个资源，信号量的初值应该大于等于 0。 5.9 由 V 操作唤醒的进程是否一定能够直接进入运行状态?举例说明之。 答：否。一般来说，唤醒是将进程状态由等待状态变成就绪状态，而就绪进程何时 获得处理机则是由系统的处理机调度策略确定的。如果采用抢占式优先级调度算法，并 且被唤醒的进程是当前系统中优先级最高的进程，那么该进程将被调度执行，其状态变 成运行态。如果该进程不是系统中优先级最高的进程或系统采用其它调度算法，那么该 进程不会被调度执行，其状态将维持在就绪态。