第2章补充习题1(1)

例1：抽烟问题：有一个烟草代理商（Agent）和3个抽烟者（smoker）。

每个抽烟者连续不断地制造香烟并吸掉它。

但是，制造一支香烟需要三种材料：烟草、烟纸和火柴。

三个抽烟者中，一人有烟纸，一人有烟叶，一人有火柴。

烟草代理商源源不断地供应这三种材料。

他将两种材料一起放在桌上，持有另一种材料的吸烟者即可制造一支香烟并抽掉它。

当此抽烟者抽香烟时，他发出一个信号通知烟草代理商，烟草代理商马上给出另外两种材料，如此循环往复。

试用信号量同步烟草代理商和3个抽烟者。

解：Semaphore smoker[3]; //初始0，三个抽烟者Semaphore material[3]; //初始0，三种原料Semaphore agent; //初始1，供应商Int turn; //初始0，轮到谁Agent:While (1) {Wait(agent);Signal(smoker[turn]);Signal(material[(turn+1)%3]);Signal(material[(turn+2)%3]);Turn=(turn+1)%3;}Smoker-i:While (1) {wait(smoker[i]);wait(material[(i+1)%3]);wait(material[(i+2)%3]);signal(agent);}例2；从读卡机上读进n张卡片，然后复制一份，要求复制出来的卡片与读进来的卡片完全一致。

这一工作由3个进程get、copy、put 以及两个缓冲区buffer1和buffer2完成。

get进程的功能是把一张卡片信息从读卡机上读进buffer1；进程copy的功能是把buffer1中的信息复制到buffer2；进程put的功能是取出buffer2中的信息并从行式打印机上打印输出。

试用P、V操作完成这3个进程间的尽可能并发正确执行的关系（用程序或框图表示），并指明信号量的初值。

解答：这3个进程间的关系可用下图来表示：分析这3个进程之间的关系，可以得知，get和copy进程之间通过buffer1进行合作，这是一种生产者-消费者问题；同理，进程copy 和put之间通过buffer2进行合作，两者之间也是一种生产者-消费者问题。

为此，设计互斥信号量mutex1，mutex2来实现对buffer1和buffer2的互斥访问；为实现get和copy之间的同步，设置两个信号量semptybuffer1和sfullbuffer1，分别表示缓冲区buffer1是空的还是满的；为实现copy和put之间的同步，设置两个信号量semptybuffer2、sfullbuffer2，分别表示缓冲区buffer2是空的还是满的。

Var mutex1,mutex2,semptybuffer1,sfullbuffer1,semptybuffer2，sfullbuffer2:semaphore:=1,1,1,0,1,0;Get:beginRepeat从读卡机读入一张卡片信息；P(semptybuffer1);P(mutex1);将信息放入buffer1;V(sfullbuffer1);V(mutex1);Until false;EndCopy:beginRepeatP(sfullbuffer1);P(mutex1);从buffer1复制信息;V(semptybuffer1);V(mutex1);P(semptybuffer2);P(mutex2);将信息复制放入buffer2;V(sfullbuffer2);V(mutex2);Until false;End;Put:beginRepeatP(sfullbuffer2);P(mutex2);从buffer2取出信息;V(semptybuffer2);V(mutex2);把信息从打印机输出；Until false;End;例3：在4×100m接力赛中，4个运动员之间存在如下关系：运动员1跑到终点把接力棒交给运动员2；运动员2一开始处于等待状态，在接到运动员1传来的接力棒后才能往前跑，他跑完100m后交棒给运动员3；运动员3也只有接到运动员2传来的接力棒后才能往前跑，他跑完100m后交棒给运动员4；运动员4接棒后跑完全程，试用信号量机制进行描述。

分析：在本题中，4个运动员相当于4个进程，他们处于并发运行状态。

运动员1跑完100m后发信号给运动员2，运动员2原来处于等待该信号的过程，在接到运动员1发来的信号后他才能开始运行，他在跑完100m后发信号给运动员3；同样，运动员3在接到运动员2发来的信号后才能开始跑，跑完后发信号给运动员4；运动员4接到运动员3发来的信号后跑完全程。

解答：根据分析，引入3个信号量S1、S2、S3，其初始值均为0。

4×100m 接力赛描述如下：var s1,s2,s3:semaphore:=0,0,0;beginparbeginAthlete1:beginRun 100m;V(s1);End;Athlete2:beginP(s1);Run 100m;V(s2);End;Athlete3:beginP(s2);Run 100m;V(s3);End;Athlete2:beginP(s3);Run 100m;End;ParendEnd例4：嗜睡的理发师问题。

一个理发店由一个有N张沙发的等候室和一个放有一张理发椅的理发室组成。

没有顾客要理发时，理发师便去睡觉。

当一个顾客走进理发店时，如果所有的沙发都已被占用，他便离开理发店；否则，如果理发师正在为其他顾客理发，则该顾客就找一张空沙发等待；如果理发师因无顾客正在睡觉，则由新到的顾客唤醒理发师为其理发。

在理发完成后，顾客必须付费，直到理发师收费后才能离开理发店。

试用信号量实现这一同步问题。

分析：在本题中，顾客进程和理发师进程之间存在着多种同步关系：（1）只有在理发椅空闲时，顾客才能坐到理发椅上等待理发师理发，否则顾客便必须等待；只有当理发椅上有顾客时，理发师才可以开始理发；否则他也必须等待。

这种同步关系类似于单缓冲（对应于理发椅）的生产者-消费者问题中的同步关系，故可通过信号量empty和full来控制。

（2）理发师为顾客理发时，顾客必须等待理发的完成，并在理发完成后由理发师唤醒他，这可单独使用一个信号量cut来控制。

（3）顾客理完发后必须向理发师付费，并等理发师收费后顾客才能离开；而理发师则需要等待顾客付费，并在收费后唤醒顾客允许他离开，这可分别通过两个信号量payment和receipt来控制。

（4）等候室的N张沙发是顾客竞争的资源，故还需为它们设置一个资源信号量sofa。

（5）为了控制顾客的人数，使顾客能在所有的沙发都被占用时离开理发店，还必须设置一个整型变量count来对理发店中的顾客计数，该变量将被多个顾客进程互斥地访问并修改，这可通过一个互斥信号量mutex来实现。

解：为解决上述问题，需设置一个整型变量count用来对理发店中的顾客进行计数，并需设置7个信号量，其中：mutex用来实现顾客进程对count变量的互斥访问，其初值为1；sofa是对应于等候室中N 张沙发的资源信号量，其初值为N；empty表示是否有空闲的理发椅，其初值为1；full表示理发椅上是否坐有等待理发的顾客，其初值为0；cut用来等待理发的完成，其初值为0；payment用来等待付费，其初值为0；receipt用来等待收费，其初值为0。

具体的算法描述如下：Var count: integer:=0;Mutex,sofa,empty,full:semaphore:=1,N,1,0;Cut,payment,receipt:semaphore:=0,0,0;BeginParbeginGuest: beginWait(mutex);If (count>N) thenBeginSignal(mutex);Exit shop;endelsebegincount:=count+1;if (count>1) then /*理发椅上有人*/beginwait(sofa);sit on sofa;wait(empty); /*等待理发椅空*/get up from sofa;signal(sofa);endelsewait(empty);signal(mutex);sit on the barber-chair;signal(full);wait(cut); /*等待理完*/pay;signal(payment);wait(receipt);get up from the barber-chair;signal(empty);wait(mutex);count:=count-1;signal(mutex);exit shop;endendbarber: beginrepeatwait(full);cut hair;signal(cut);wait(payment);accept payment;signal(receipt);until false;endparendend例5、三个进程P1、P2、P3互斥使用一个包含N(N>0)个单元的缓冲区。

P1每次用produce()生成一个正整数并用put()送入缓冲区某一空单元中；P2每次用getodd()从该缓冲区中取出一个奇数并用countodd()统计奇数个数；P3每次用geteven()从该缓冲区中取出一个偶数并counteven()统计偶数个数。

请用信号量机制实现这三个进程的同步与互斥活动，并说明所定义信号量的含义。

要求用伪代码描述。

解：定义信号量S1控制P1与P2之间的同步；S2控制P1与P3之间的同步；empty控制生产者与消费者之间的同步；mutex控制进程间互斥使用缓冲区。

程序如下：Var s1=0,s2=0,empty=N,mutex=1;ParbeginP1：beginX=produce(); /*生成一个数*/P(empty);/*判断缓冲区是否有空单元*/P(mutex); /*缓冲区是否被占用*/If x%2==0V(s2); /*如果是偶数，向P3发出信号*/elseV(s1); /*如果是奇数，向P2发出信号*/V(mutex); /*使用完缓冲区，释放*/endP2：beginP(s1); /*收到P1发来的信号，已产生一个奇数*/P(mutex); /*缓冲区是否被占用*/Getodd();Countodd():=coutodd()+1;V(mutex); /*释放缓冲区*/V(empty); /*向P1发信号，多出一个空单元*/End.P3：beginP(s2); /*收到P1发来的信号，已产生一个偶数*/P(mutex); /*缓冲区是否被占用*/Geteven();Counteven():=counteven()+1;V(mutex); /* 释放缓冲区*/V(empty); /*向P1发信号，多出一个空单元*/End.Parend.例6、在一个盒子里，混装了数量相等的围棋黑白子。