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：