经典的进程同步问题

P1
C1
P2
C2
P3
1 2 3 … …. … … n
C3
.
.
Pn.
Cn
经典的进程同步问题
2 生 产 者 － 消 费 者 的 同 步 问 题 (The ProceducerConsumer Problem)
举例： 一个生产者
产品 一个消费者
仓库
生产者把产品生产出来，送入仓库。给 消费者发信号，消费者得到信号后，到仓库 取产品，取走产品后给生产者发信号……
生产者－消费者问题是相互合作进程关 系的一种抽象
输入——计算——打印
生产者 消费者 生产者 消费者
系统中使用资源的进程——消费者 系统中释放资源同类资源的进程——生产者
一个生产者
产品
仓库
一个消费者
要解决进程的同步问题要满足的条件
1 想接收数据时，有界缓冲区中至少有一个单元是满的 2 生产者想发送数据时，有界缓冲区中至少有一个单元是空的
发送和接送过程满足的条件是： 1)在Pa至少送一块数据入一个缓冲区之
前,Pb不可能从缓冲区中取出数据 2)Pa往缓冲队列发送数据时,至少有一个
缓冲区是空的; 3)由Pa发送的数据块在缓冲队列中按先
进先出(FIFO)方式排列. 描述发送过程deposit (data)和接受过
程remove (data) .
几个经典的进程同步问题
❖ 生产者—消费者问题 ❖ 哲学家进餐问题 ❖ 读者—写者问题 ❖ 图书馆阅览室问题 ❖ 理发师问题 ❖ 吃水果问题 ❖ 司机—售票员问题 ❖ 过河问题
生产者—消费者问题
➢ 一个最著名的进程同步问题 ➢ 问题描述：一组生产者向一组消费者提
供消息，它们共享一个有界缓冲池，生 产者存入消息，消费者从中取得消息。
哲学家进餐问题
哲学家进餐问题是典型的同步问题，是由Dijkstra提出并解 决的。
问题描述5个哲学家，他们的生活方式是交替的思考和进餐。 哲学家们公用一张圆桌，分别坐在周围的5张椅子上，圆桌 上有5个碗和5支筷子，平时一个哲学家进行思考，饥饿时 便试图取用其左、右最靠近他的筷子，只有他拿到两只筷 子时才能进餐，放下筷子又继续思考。
Pa
BUF1
BUF2 .…. BUFn
Pb
1)Bufempty————进程Pa的私用信号量, Buffull ————进程Pb的私用信号量;
2)Bufempty的初始值为n(n 为缓冲队列的缓冲区 个数),Buffull的初始值为0;
发送过程Deposit(data),接送过程Remove(data),这 两个过程必须同步，因为,因为过程deposit(data)的 执行结果是过程remove(data)的执行条件,而当缓冲 队列全部装满数据时,remove(data)的执行结果又是 deposit(data)的执行条件。
（生产者）私用信号量 avail 表示有界缓冲区中空的单元数 初值为n deposit（data）：
begin
P(avail)
检查缓冲区中是否有空单元 执行后n-1
P(mutex)
检查缓冲区是否可用 执行后 mutex＝0
送数据入缓冲区
wenku.baidu.com
V(full)
执行后，非空单元数加1 0+1＝1
V(mutex)
公用信号量,互斥时使用的信 号量（二元信号量）：它仅允 许取值为“０”与“１”，用 作互斥。它联系着一组共行进 程，初值为１，每个进程均可 对之施加Ｐ、Ｖ操作。
私用信号量：一般信号量（资 源信号量）：它联系着一组共 行进程，但其初值为０，或为 某个正整数ｎ，表示资源的数 目，主要用于进程同步。只允 许拥有它的进程对之施加Ｐ操 作，对V操作没有限制
同步问题 由于缓冲区是临界资源，所以生产者和消费者之间必须互斥的
访问临界资源
用信号量解题的关键
步骤： 信号量的设置；❖ 给信号量赋初值（常用的 互斥和同步信号量值的大小）； P、V操作安排的 位置（其中，P的顺序不能颠倒，V的顺序任意）
设：公用信号量 mutex 表示缓冲区的个数
初值为1
（消费者）私用信号量 full 表示有界缓冲区中非空单元数 初值为0
（1）读互斥信号量rmutex,用于使读者互 斥 地 访 问 共 享 变 量 readcount, 这 里 readcount是记录有多少读者正在读;
释放缓冲区中的资源
end
Remove（data）：
begin
P(full)
检查缓冲区是否有数据
P(mutex)
访问缓冲区
取缓冲区中某单元数据
V(avail)
取走数据以后，有界缓冲区的空单元个数加1
V(mutex)
释放缓冲区
end
deposit（data）：
begin
次序
P(avail)
P(mutex)
Pa
BUF1
BUF2 .…. BUFn
Pb
发送过程deposit (data)和接受过程remove (data)
Pa:deposit(data) begin local x
P(Bufempty) 按FIFO方式选择一个 空缓冲Buf(x); Buf(x)<--data Buf(x)置满标记 V(Buffull) end
送数据入缓冲区
V(full)
V(mutex)
end
Remove（data）：
begin
次序
P(full) P(mutex) 取缓冲区中某单元数据
V(avail)
V(mutex)
end
（消费者）私用信号量 full 表示有界 缓冲区中非空单元数 初值为0
（生产者）私用信号量 avail 表示有界 缓冲区中空的单元数 初值为n
例：利用信号量解决读者和写者问题
一个文件可能被多个进程共享，为了 保证读写的正确性和文件的一致性，系统 要求，当有读者进程读文件时，不允许任 何写者进程写，但允许多读者同时读；当 有写者进程写时，不允许任何其它写者进 程写，也不允许任何读者进行读。
为了解决读者和写者问题，需设置两个信 号量：
Pb:remove(data) begin local x P(Buffull) 按FIFO方式选择一个 装满数据的缓冲Buf(x) data<--Buf(x) Buf(x)置空标记 V(Bufempty) end
Dijkstra把同步问题抽象成一种生产者和消 费者关系，计算机系统中的许多问题都可以被归 结为生产者和消费者关系，例如，生产者可以是 计算进程，消费者是打印进程，输入时输入进程 是生产者，计算进程是消费者。我们可以通过一 个缓冲区把生产者和消费者联系起来