经典进程同步与互斥问题

经典进程同步与互斥问题

一、生产者与消费者问题

1.1 问题概述

• 生产者与消费者互斥使用一个缓冲池
• 当缓冲池为空时，生产者才能写入数据
• 当缓冲池不为空时，消费者才能读取数据

1.2 解决方法

设置3个信号量：mutex=1，full=0,empty=n(假设缓冲池大小为n)

• mutex：互斥信号量
• full：表达缓冲池中数据量的信号量，初值为0
• empty：表达缓冲池中空闲块的信号量，初值为n，即缓冲池的大小
• 生产者

P(empty)
P(mutex)
写入数据
V(mutex)
V(full)

• 消费者

P(full)
P(mutex)
读取数据
V(mutex)
V(empty)

二、读者与写者问题

2.1 问题概述

一个数据对象（如文件、记录）可以被多个进程共享。这些进程可以分为两类:

• 读者进程：只读取数据对象的值
• 写者进程：修改或者写入数据对象的值

这类问题具有以下特点：

1. 读者进程之间不互斥
2. 写者与写者、写者与读者之间互斥

2.2 解决方法

设置3个信号量：mutex,readerCount,writer

• mutex：互斥信号量，用于读者进程访问共享变量readerCount，初值为1
• readerCount：共享信号量，用于记录当前进入临界区的读者进程的数量，初值为0
• writer：互斥信号量，用于写者与写者、写者与读者之间对临界区的互斥访问
• 读者

P(mutex)
//临界区没有读者时，先判断当前临界区是否有写者进程
//由第一个进入临界区的读者进程来阻塞后来的写者进程
if(readerCount == 0)
    P(writer);
//当此时临界区已经存在读者进程时，countReader++
++readerCount;
V(mutex)
读数据
P(mutex)
--readerCount;
//由最后一个离开临界区的读者进程唤醒可能被阻塞的写者进程
if(readerCount == 0)
    V(writer);
V(mutex)

• 写者

P(writer)
写数据
V(writer)

三、哲学家进餐过程

3.1 问题概述

五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。哲学家们共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五个碗和五支筷子。

• 平时哲学家进行思考，饥饿时便试图取其左、右最靠近他的筷子，只有在他拿到两支筷子时才能进餐，
• 进餐完毕，放下筷子又继续思考。

3.2 解决方法

对于上述问题，很容易想到这样一种方法：设置一个互斥信号量数组，第i个哲学家进餐时，分别P(mutex[i-1])和P(mutex[i])。

while(1){
P(mutex[i])
P(mutex[(i+1)%5])
进餐
v(mutex[i])
V(mutex[(i+1)%5])
思考}

但是上述方法很容易引起死锁。为了解决死锁问题，可以考虑以下方法：

• 至多允许四个哲学家同时进餐。
• 仅当左、右两支筷子均可用时，才允许拿起筷子进餐。
• 奇数号哲学家先拿左筷子再拿右筷子，偶数号哲学家相反。