同步互斥，死锁相关习题|信号量实现同步互斥|生产消费者模型|简答题

记录型信号量

Semaphore内部结构，是一个结构体

typedef struct
{
	int value;
	struct process *L;
}semaphore;

• value表示资源数目
• 如果是正数，表示当前还有多少资源可以用，如果是负数，表示还欠几个资源
• L链表，是阻塞进程链表

semaphore S = 0;
// 等价于
semaphore S;
S.value = 0;

PV操作

PV是原语，不可被中断

void wait(semaphore S)
{
	S.value --;
	if (S.value < 0)
	{
		add this process to S.L;
		block(S.L);
	}
}

P相当于申请资源
如果申请不到，就阻塞

void signal(semaphore S)
{
	S.value ++;
	if (S.value <= 0)
	{
		remove a process P from S.L;
		wakeup(P);
	}
}

V相当于释放资源
同时唤醒被阻塞的进程

信号量相关题目

信号量实现前驱关系

1. 定义信号量
   

一条边就是一个信号量
S1运行完成之后就会释放一个S1已经运行完的信号，就是V操作，S1运行完成后会释放一个a信号量，也要给S3释放一个b信号量
S2运行之前需要收到a信号量，来告诉S1已经运行完成了，所以S2需要申请，P一个a信号量；S2运行完毕后，需要V一下c和d
S4运行之前，需要P一下c，运行之后需要V一下e
S5运行之前，需要P一下S2的d信号量，运行之后释放一个和S6连接的g信号量
S3运行之前，要P一下和S1相连的b信号量，运行之后释放V一个和S6相连的f信号量
S6运行之前，需要P一下e，f和g信号量，S6完成之后，程序结束
2. 写PV操作

semaphore s1_2, s1_3, s2_4, s2_5, s3_6, s4_6, s5_6;
S1()
{
	// 运行S1
	...;
	V(s1_2);
	V(s1_3);
}

S2()
{
	P(s1_2);
	// 运行S2
	...;
	V(s2_4);
	V(s2_5);

}

S3()
{
	P(s1_3);
	// 运行S3
	...;
	V(s3_6)
}

S4()
{
	P(s2_4);
	// 运行S4
	...;
	V(s4_6);
}

S5()
{
	P(s2_5);
	//运行S5
	...;
	V(s5_6);
}

S6()
{
	P(s3_6);
	P(s5_6);
	P(s4_6);
	// 运行S6
	...;
}

口诀
前V后P
在前操作的后面，V一下这个信号量，在后操作的前面P一下这个信号量

一个顶点表示一个进程，有多少个顶点，就有多少个进程
一条边代表了一个约束，即需要一个信号量控制其先后关系
对于同一个信号量而言，PV操作是成双成对的，不分离的，有P就一定有V

计算填空题

1. 有n个进程竞争某共享资源，系统允许每次最多m个进程同时使用该资源，用PV操作管理时，相应信号量可能出现的最大值是()
   信号量的值代表资源的数量
   最多允许有m个进程同时允许，一个进程使用一个资源的话，一共有m个资源，所以填入m
2. 系统中有n个并发进程，涉及某个相同变量X，那么涉及变量X的相关临界区的个数是()
   临界区是访问临界资源的代码，访问一次临界资源就会有一个临界区
   临界资源是一次只能够让一个进程使用的临界资源，也就是共享变量X
   临界区的个数就是并发进程的数量，填入n

生产者消费者模型

超市可容纳500人同时购物，有6扇可供出入的门，既可进也可出，每扇门只允许一个人通过

1. 用PV操作以及信号量描述进入和离开超市的算法
2. 若规定：同一顾客进出必须通过同一扇门，那算法如何编写
   超市也就是缓冲区，6扇门是临界资源，需要设置一个互斥信号量，来互斥的使用临界资源
   

生产者要进入超市，要先去申请超市里的空闲资源，
互斥信号量要紧紧把互斥资源夹住，中间不能加其他信号量

// 超市中可容纳顾客数量
semaphore S = 500;
semaphore d1 = 1;
semaphore d2 = 1;
semaphore d3 = 1;
semaphore d4 = 1;
semaphore d5 = 1;
semaphore d6 = 1;

Enter()
{
	P(S);
	选择一扇门i;
	P(di);
	进入超市;
	V(di);
}

Leave()
{
	选择一扇门j;
	P(dj);
	离开超市;
	V(dj);
	V(S);
}

2
进门的时候加入一个记录变量，记录用的是哪扇门，离开的时候在从记录变量看走的是哪扇门

Enter()
{
	P(S);
	选择一扇门i;
	self.door = i; // 用变量self.door记录进入的是哪扇门
	P(di);
	进入超市;
	V(di);
}

Leave()
{
	i = self.door; // 从变量self.door得到顾客进入的是哪扇门
	P(di);
	离开超市;
	V(di);
	V(S);
}

2019

P1，P2，P3为三个相互合作的进程，P1和P2各自从外部设备读取数据分别存入X变量和Y变量，P3进程将X，Y的值相加并将结果存入Z变量
用PV操作实现上述同步关系

先画前趋图
P3：Z=X+Y

begin
	S1,S2:semaphore;
	S1 = 0;
	S2 = 0;

Cobegin
	processP1
	begin
		读取数据到X;
		V(S1);
	end

	processP2
	begin
		读取数据到Y;
		V(S2);
	end

	processP3
	begin
		P(S1);
		P(S2);
		Z = X + Y;
	end
Coend

end

2018

三个进程P1，P2，P3互斥使用一个包含N个单元的缓冲区，
P1每次使用"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()"从该缓冲区中取一个偶数并用"counteven()"统计偶数个数
用信号量机制实现这三个进程的同步与互斥活动，并说明所定义的信号量的含义

临界资源需要用Pmutex和Vmutex紧紧夹住

由于缓冲区是共享空间，设置一个互斥信号量来保护它，设信号量为mutex
P1，P2共享缓冲区的奇数数值，设同步信号量为odd
P1，P3共享缓冲区的偶数数值，设同步信号量为even
P1，P2和P3共享缓冲区的空位，设同步信号量为empty

// empty指空闲的缓冲区资源
semaphore empty = N;
semaphore full;
// 互斥信号量
semaphore mutex = 1;
semaphore odd, even = 0;

P1()
{
	生产正整数。记入x;
	x = produce();
	P(empty);
	P(mutex);
	put();
	V(mutex);
	if (x % 2 == 0)
		V(even);
	else
		V(odd);
}

P2()
{
	P(odd);
	P(mutex);
	getodd();
	V(mutex);
	V(empty);
	countodd();
}

P3()
{
	P(even);
	P(mutex);
	geteven();
	V(mutex);
	V(empty);
	counteven();
}

死锁

简答，计算，填空

死锁定义

多个进程因竞争资源而造成的一种僵局(互相等待)，若无外力作用，这些进程都将无法向前推进

死锁发生原因

空间

1. 系统资源的竞争
   系统中不可剥夺资源数量不足以满足多个进程运行的需要，使得进程在运行过程中，会因争夺资源而陷入僵局。
   只有对不可剥夺资源的竞争才可能产生死锁，对可剥夺资源的竞争是不会引起死锁的。
   时间
2. 进程推进顺序非法
   进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，会导致死锁。
   例如，并发进程P1，P2分别保持了资源R1，R2，而进程P1申请资源R2，进程P1请资源R2，两者都会因为所需资源被占用而阻塞，于是导致死锁。
3. 信号量使用不当也会造成死锁
   进程间彼此相互等待对方发来的消息，也会使得这些进程间无法继续向前推进。例如，进程A等待进程B发的消息，进程B又在等待进程A发的消息，可以看出进程A和B不是因为竞争同一资源，而是在等待对方的资源导致死锁

死锁产生必要条件

虽然进程在运行过程中可能会发生死锁，但产生进程死锁是必须具备一定条件的。
综上所述不难看出，产生死锁必须同时具备下面四个必要条件，只要其中任一个条件不成立，死锁就不会发生：

1. 互斥条件
   一进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内，某资源只能被一个进程占用。如果此时还有其它进程请求该资源，则请求进程只能等待，直至占有该资源的进程用毕释放。
2. 请求和保持条件
   进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放
3. 不可抢占条件
   进程已获得的资源在未使用完之前不能被抢占，只能在进程使用完时由自己释放
4. 循环等待条件
   在发生死锁时，必然存在一个进程一资源的循环链，即进程集合{P0，P1,…Pn}，中的Pi循环占用另一个pi+1资源

处理死锁基本方法

目前处理死锁的方法可归结为四种：

1. 预防死锁
   这是一种较简单和直观的事先预防方法。
   该方法是通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁四个必要条件中的一个或几个来预防产生死锁。
   预防死锁是一种较易实现的方法，已被广泛使用。
2. 避免死锁
   同样是属于事先预防策略，但它并不是事先采取各种限制措施，去破坏产生死锁的四个必要条件，而是在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态，从而可以避免发生死锁。
3. 检测死锁
   这种方法无须事先采取任何限制性措施，允许进程在运行过程中发生死锁。但可通过检测机构及时地检测出死锁的发生，然后采取适当的措施，把进程从死锁中解脱出来。
4. 解除死锁
   当检测到系统中已发生死锁时，就采取相应措施，将进程从死锁状态中解脱出来。
   常用的方法是撤消一些进程，回收它们的资源，将它们分配给已处于阻塞状态的进程，使其能继续运行。
   从(1)到(4)对死锁的防范程度逐渐减弱，但对应的是资源利用率的提高，以及进程因资源因素而阻塞的频度下降（即，并发程度提高）

死锁的处理方法(简答题)

1. 预防死锁
   破坏产生死锁的4个必要条件中的一个或多个
2. 避免死锁
   使用某种方法防止系统进入不安全状态，
3. 死锁的检测和解除
   不采取任何措施，在发生死锁后，系统能够及时检测出死锁，然后采取某种措施接触死锁