经典同步问题

1、生产者—消费者问题
互斥、同步
2、哲学家就餐问题
互斥
3、读者——写者问题
有条件的互斥

1. 生产者—消费者问题
   The proceducer – consumer problem：多个生产者和消费者对n个缓冲区的使用。
   不考虑互斥、同步问题会导致counter计数错误
   如何设置信号量？从资源、顺序两个角度分析：
   1、无论生产者、消费者使用缓冲池时应保证互斥使用（互斥信号量mutex ）
   2、生产者和消费者间交叉有序：
   ——有序的控制最根源在产品数量上。
   ——设置两个信号量：
   分别针对生产者、消费者设置不同的信号量，empty和full分别表示缓冲池中空缓冲池和满缓冲池（即产品）的数量。
   empty、full两者有天然的数量关系，在PV控制下值不断变化，但在值等于0的点上是控制顺序的关键。

• 变量和信号量
  buffer: array [ 0, …, n-1] of item;
  in, out: integer :=0, 0;
  不使用Counter变量，而是用信号量
  Var mutex, empty, full: semaphore :=1, n, 0;

producer :
repeat
…
produce an item in nexp;
…
wait(empty);
wait(mutex);
buffer(in):=nexp;
in:=(in+1) mod n;
signal(mutex);
signal(full);
until false;

consumer :
repeat
wait(full);
wait(mutex);
nextc:=buffer(out);
out:=(out+1) mod n;
signal(mutex);
signal(empty);
consume the item in nexc;
until false;
检查：
1、 每个程序中用于实现互斥的wait(mutex)和signal(mutex)必须成对地出现。
2、控制顺序的信号量empty和full的wait和signal操作，成对地出现在不同的进程中。
3、在每个程序中的多个wait操作顺序不能颠倒。且应先执行对资源信号量的wait操作，再执行对互斥信号量的wait操作，否则可能引起进程死锁。
4、模拟交替执行过程，检查控制是否正确。
模拟交叉运行
1）两个生产者同时的情况
假设的时间片轮转顺序如下
produce;
produce;
wait(e);
wait(m);
buffer(in):=nexp;
wait(e);
wait(m);
buffer(in):=nexp;
in:=(in+1)mod n;
signal(m);
signal(f);
in:=(in+1)mod n;
signal(m);
signal(f);

1号生产者的wait操作使e=n-1，m=0
当1号正在in=0的buffer[0]放入产品时，2号来到，wait（e）仍通过，e=n-2；但wait（m）会使2号阻塞。m=-1，e=n-2。
转入1号生产者执行使in=1,，唤醒m上的等待者——2号生产者，但可能并不立即切换到2号运行，而是其分到的cpu时间完成后再转到2号。此时m=0，f=1。
回到2号进程后，将产品放入缓冲区；in=2；m=1；f=2。
2）生产者等待消费者情况

设当前运行到一个临界点，缓冲区满了，而生产者先来了要生产。
e=0；m=1；f=n
注意：signal原语唤醒的因wait阻塞的进程后该进程并不需再重新执行wait。

*AND信号量的方式
consumer :
repeat
Swait(full, mutex);
nextc:=buffer(out);
out:=(out+1) mod n;
Ssignal(mutex, empty);
consume the item in nexc;
until false;
2. 哲学家进餐问题
五个哲学家共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在桌子上有五只碗和五只筷子，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。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，只有在他拿到两只筷子时才能进餐。进餐毕，放下筷子继续思考。
1）记录型信号量解决哲学家进餐问题
筷子是临界资源，在一段时间内只允许一个哲学家使用。为实现对筷子的互斥使用，用一个信号量表示一只筷子，五个信号量构成信号量数组。
Var chopstick: array [0, …, 4] of semaphore;
所有信号量均被初始化为1。
第i 位哲学家的活动可描述为：
repeat
wait(chopstick[ i ]);
//当哲学家饥饿时，总是先拿左边的筷子，再拿右边的筷子。
wait(chopstick[ ( i +1) mod 5] );
…
eat;
…
signal(chopstick[ i ]);
//当哲学家进餐毕，先放下左边的筷子，再放下右边的筷子。
signal(chopstick[ ( i +1) mod 5] );
…
think;
until false;

2）就餐死锁问题
假如五位哲学家同时饥饿而各自拿起左边的筷子时，就会使五个信号量chopstick均为0，当他们再试图去拿右边的筷子时，都将因无筷子可拿而无限等待。
解决方法：
数量控制：
至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少有一位哲学家能够进餐，并在用毕后释放出他用过的两只筷子，从而使更多的哲学家能够进餐。—限制并发执行的进程数
抛砖引玉：
一个房间，只允许进入6个人，如何用信号量进行控制？
一刀切：
仅当哲学家的左右两只筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。—采用AND信号量。

在哲学家进餐问题中，要求每个哲学家先获得两个临界资源(筷子)后方能进餐。
Var chopstick: array [0, …, 4] of semaphore:=(1, 1, 1, 1, 1);
Process i
repeat
think;
Swait(chopstick[ ( i +1) mod 5] , chopstick[ i ] );
eat;
Ssignal(chopstick[ ( i +1) mod 5] , chopstick[ i ] );
IF编程控制
规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿右边的筷子；偶数号哲学家则相反。保证总会有一个哲学家能同时获得两只筷子而进餐
if I mod 2=0
…
else
… until false;

3. 读者——写者问题
   一个数据文件被多个进程共享。Reader进程只要求读文件，Writer进程要求写入内容。
   合理的同步关系是：
   多个读进程可同时读；
   Writer进程与任何其他进程（包括Reader进程或其他Writer进程）不允许同时访问文件。
   不符合读者之间不需要互斥的要求。
   Reader :
   while(true){
   wait(wmutex);
   读文件；
   signal(wmutex);
   }
   Writer :
   while(true){
   wait(wmutex);
   写入文件；
   signal(wmutex);
   }
   写者操作要和其他的都互斥，所以必要判断互斥信号量，
   没有变化：
   Writer :
   while(true){
   wait(wmutex);
   写入文件；
   signal(wmutex);
   }
   只有第一个读进程进行互斥判断；
   只要有一个“读进程”在读就不释放，“写进程”就不能写。（一种读者优先的方式）
   读者Reader :
   while(true){

   wait(rmutex);
   if Readcount=0 wait(wmutex);
   Readcount =Readcount +1;
   signal(rmutex);
   …
   perform read operation;
   …
   wait(rmutex);
   Readcount =Readcount -1;
   if Readcount=0 signal(wmutex);
   signal(rmutex);
   }