经典进程同步互斥问题集

【例1】有三个进程PA 、PB 和PC 协作解决文件打印问题：PA 将文件记录从磁盘读入内存的缓冲区1中，每执行一次读一个记录；PB 将缓冲区1中的内容复制到缓冲区2中，每执行一次复制一个记录；PC 将缓冲区2中的内容打印出来，每执行一次打印一个记录。

缓冲区的大小与记录大小一样。

请用信号量来保证文件的正确打印。

答：该文件打印过程的同步算法可描述如下：
【例2】进程A1、A2、…An1通过m 个缓冲区向进程B1、B2、…Bn2不断地发送消息。

发送和接收工作遵循如下规则：
（1）每个发送进程一次发送一个消息，写入一个缓冲区，缓冲区大小与消息长度一样。

（2）对于每一个消息，B1、B2、…Bn2都需各接收一次，读入自己的数据区内。

（3）m 个缓冲区都满时，发送进程等待；没有可读的消息时，接收进程等待。

试用wait,signal 操作描述它们的同步关系。

分析：本题是生产者－消费者问题的一个变形。

由于每个缓冲区都只写一次，但要读n2次，故我们可将每个缓冲区看成是由n2格组成的。

只有当某个缓冲区的n2
格都空闲时，才允许写入，
而且写一次缓冲区相当于将该缓冲区的n2格全部写一遍。

Bj 进程从缓冲中取消息时，它只取相应缓冲的第j 格。

由于每个Bj 取消息的速度不同，故需为它们分别设置指针outj ，用来指示从哪个缓冲区的第j 格中取消息。

答：我们将每个缓冲区看成是由n2格组成的，可为本题设置下列信号量：mutex,初值为1，用来实现对缓冲区的互斥访问；empty[i](i=1,…,n2)，初值均为m ，每个empty[i]对应于缓冲池的第i 格中的所有空闲缓冲区；full[i](i=1,…,n2)，初值均为0，对应缓冲池第i 格中装有消息的缓冲区。

另外还需要提供整型变量in 用来指示将消息放入哪个缓冲区，outj(j=1,…,n2)用来指示Bj 从哪个缓冲区中取消息，这些变量的初值均为0。

Ai,Bj 的算法描述如下：
【例3】设有两个生产者进程A 、B 和一个销售进程C ，他们共享一个无限大的仓库，生产者每次循环生产一个产品，然后入库供销售者销售；销售者每次循环从仓库中取出一个产品进行销售。

如果不允许同时入库，也不允许边入库边出库，而且要求生产A 产品和B 产品的件数满足以下关系：
－n ≤A 的件数－B 的件数≤m
其中n 、m 是正整数，但对仓库中A 产品和B 产品的件数无上述要求，请用信号量机制写出A 、
B 、
C 三个进程的工作流程。

分析：本题中存在着以下的同步和互斥关系：（1）生产者A 、B 和消费者C 之间，不能同时将产品入库和出库，故仓库是一个临界资源。

（2）两个生产者之间必须进行同步。

当生产者的A 、B 产品的件数之差大于等于m 时，生产者A 必须等待；小于等于－n 时，生产者B 必须等待。

这种关系可想象成有两种令牌，分别跟允许A 和B 生产的产品数量相关，A 和B 必须取得对应的令牌后才能生产产品，故这两类令牌也就是两种临界资源。

（3）生产者和销售者之间也必有进行同步，只有当生产者生产出产品并入库后，销售者才能进行销售。

答：为了互斥地入库和出库，需为仓库设置一初值为1的互斥信号量mutex ；为了使生产的产品件数满足：－n ≤A 的件数－B 的件数≤m ，需设置两个信号量，其中SAB 表示当前允许A
生产
的产品数量，其初值为m,SBA表示当前允许B生产的产品数量，其初值为n;还需设置一个初值为0的资源信号量S，对应于仓库的产品量。

具体的同步算法如下：
【例4】请用信号量解决以下的“过独木桥”问题：同一方向的行人可连续过桥，当某一方向有人过桥时，另一方向的行人必须等待；当某一方向无人过桥时，另一方向的行人可以过桥。

答：将独木桥的两个方向分别标记为A和B；并用整型变量countA,countB分别表示A、B方向上已在独木桥上的行人数，它们的初值为0；再设置三个初值都为1的互斥信号量：SA用来实现对countA的互斥访问，SB用来实现对countB的互斥访问，mutex用来实现两个方向行人对独木桥的互斥使用。

则可将A方向行人的动作描述为：
【例5】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坐下等待；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：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）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，而理发师则需等待顾客付费，并在收费后通知顾客离开，这可分别通过两个信号量payment和receipt来控制。

（３）等候室中的Ｎ张沙发是顾客进程竞争的资源，故还需为它们设置一个资源信号量sofa。

（４）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
整形变量count来对理发店中的顾客进行计数，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。

答：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６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表示理发椅是否坐有等待理发的顾客，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：
【例6】试用记录型信号量写出一个不死锁的哲学家进餐问题的算法。

答：除了为每只筷子设置一个初值为１的信号量chopstick[i](i=0,…,4)外，还需再设置一个初值为４的信号量Sm，以限制同时就餐的哲学家人数不超过４.第i个哲学家的活动可描述为：
【例7】请给出一个写者优先的“读者－写者”问题的算法描述。

分析：与读者优先不同的方案有三种。

第一种是读者和写者的地位是完全平等的，即无论是读者、还是写者，都按它们到达的时间先后决定优先次序。

第二种方案中，写者的优先权得到了提高，先于写者到达的读者比写者优先，但当一个写进程声明要进行写操作时，其后续读者必须等写操作完成之后，才能进行读。

而且，如果在写完成之前，又有新的写者到达，那么新的写者的优先权将高于已在等待的读者。

第三种方案写者的优先权更高，某个写者到达时，即使它是目前唯一的写者，那些先于它到达但还没来得及读的读者都将等待它完成写操作。

答：为了使写者优先，可在原来的读者优先的基础上增加一个初值为1的信号量S，使得当至少有一个写者准备访问共享对象时，它可使后续的读者进程等待写完成。

初值为0的整型变量writecount用来写者进行计数；初值为1的互斥信号量mutex用来实现多个写者对writecount的互斥访问。

读者动作的描述如下：
上述算法是按第二种方案编写的，对于第一种方案，只需去掉算法中跟writecount变量相关的部分，让所有的一写者（而不仅仅是第一个写者），在到达时都执行wait(S)就可以了。

对于第三种方案，可对读者进程再增加一个初值为1的信号量RS，并在wait(S)前去执行wait(RS)操作，在signal(S)后再执行signal(RS)操作，则可以使读者不会在S上排成长队，从而使写者的优先权得到进一步提升。

【例8】桌上有一只盘子，每次只能放入一个水果。

爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放桔子，一个儿子专等吃盘子中的桔子，一个女儿专等吃盘子中的苹果。

试用记录型信号量解决该问题。

分析：这个问题实际上是两生产者和两个消费者初连结到仅能放一个产品的缓冲器上上。

生产者各生产不同的产品，但就其本质而言，他们是同一类生产者。

而消费者则各自取需要的产品消费，他们的消费方式不同。

实现爸爸，妈妈，儿子和女儿的正确同步工作的程序描述如下：
（未完，待续……..）。