操作系统学习 - 经典的进程同步互斥若干问题

1. 生产者-消费者问题

问题模型：
系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用（产品：某种数据）。

生产者、消费者共享一个初始为空、大小为 n 的缓冲区。

• 只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放进去，否则必须等待（同步关系）。
• 只有缓冲区不空时，消费者才能取出产品，否则必须等待（同步关系）。
• 缓冲区必须是互斥访问的，是临界资源（互斥关系）。

要注意各种 P 操作的先后顺序（因为P操作会让进程阻塞），否则容易出现“死锁”现象。

• 在这个问题模型中，要注意的是同步要在互斥前边。

多生产者 - 多消费者

2. 吸烟者问题

问题模型：
生产者可以往桌子上放不同的材料，三个吸烟者需要拿到自己对应的材料，才可以完成吸烟动作。吸烟完成后，通知生产者，生产者才放下一个材料，三个吸烟者轮流吸烟。

主要的同步、互斥关系：

• 桌子是一个容量为 1 的缓冲区，要互斥访问。（互斥关系）
• 桌子上有组合一，第一个人才可以抽烟。（同步关系）
• 桌子上有组合二，第二个人才可以抽烟。（同步关系）
• 桌子上有组合三，第三个人才可以抽烟。（同步关系）
• 每个吸烟者吸烟结束，供应者才可以将下一个组合放在桌子上。（同步关系）
  
  注意这里边，互斥的关系，并没有单独设置一个信号量，因为4个负责同步的信号量，同一时刻只会有一个有值。
  • 吸烟者问题为解决“可以生产多个产品的单生产者”问题提供了一个思路。

3. 读者-写者问题

问题模型：

• 多个读进程可以同时读，不会出问题。
• 读写进程一起访问共享文件的话，会导致读进程读的并不是自己想要的那份（被写进程改了）
• 多个写进程一起写入共享文件，可能导致数据被覆盖。

综上：

• 只可以多个读进程一起。
• 写进程执行的时候，其他的写进程和读进程都不能访问。
• 读进程执行的时候，写进程不能访问。

关系如下：

• 写 - 写（互斥）
• 读 - 写（互斥）
  
  读写者模式的精巧之处：

上边图里对读进程的设计中，如果没有count变量记录读进程的数量的话，会导致读进程与读进程之间也是互斥的，这并不是我们希望的。如果像上图中的设计，当多个读进程去读共享文件时（有先后顺序），只有访问共享文件的进程才会上锁，其他的读进程都不会进行上锁操作，因为通过count变量可以知道已经有读进程在读了，此时去读的话，并不会和写进程冲突，可以放心的读。同理，只有最后一个读完文件的读进程才会执行解锁操作，因为比它先读完的那些进程不能执行解锁操作，一旦解锁，写进程就会开始写入，就会造成读写冲突。

上边的这种设计存在一个问题，如上图的左下角所示，如果两个读进程并发的执行在读count变量时，都为0，会导致其中一个上锁，另一个读进程被阻塞，这是不可以的。所以再对count变量进行互斥访问，加一个mutex。

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可见，上边这种方式是“读进程优先”的，只要有读进程在读，那写进程就会一直被阻塞，可能“饿死”。
再加入一个信号量 w，把写进程的优先级提一提。

引入 信号量w以后，并发执行的情况。

• 读者1->读者2

  读者1读完以后，会对mutex和w都执行V操作，所以读者2可以正常读文件。

• 写者1->写者2

  多了一个互斥信号量，所以也不会有影响。
  *写者1->读者1

  写者1执行后，w和rw上锁，此时如果有读者进程尝试访问，w信号量会让该读进程阻塞。

• 读者1->写者1->读者2

  读者1在读的时候，写者1尝试访问，读者1会被w阻塞，当读者1执行了 V(w) 以后，写者1会对w上锁，然后被rw阻塞，如果此时，读者2尝试访问，因为写者1对w上了锁，所以读者2会被w阻塞掉。等到读者1执行了V(rw)以后（此时count一定为1，因为读者2被阻塞着），写者1可以对rw上锁，开始正常的写入。等待写者1操作结束，对rw和w解锁后，读者2就可以正常的进行了。
  这就避免了之前，写进程饥饿的问题。

• 写者1->读者1->写者2

写者1对w和rw上锁后，开始写文件操作，此时读者1尝试访问，被w信号量阻塞，此时再有写者2尝试访问，也被w信号量阻塞，当写者1完成任务，释放rw和w后，因为读者1先于写者2上锁排队，所以w信号量被解锁后，读者1开始执行，写者2依然开始被阻塞着。

这种方法相对读者和写者都相对公平。牛逼！

总结：

• count服务于读进程，保证读进程不互斥，mutex用于保证对count的互斥访问。
• w用于解决写进程饥饿。

4. 哲学家进餐问题

问题模型：

• 下面这种方案是不合理的，会存在死锁现象，所有的哲学家都等待自己右手边的筷子，又没有人放下自己手中的筷子。
  两个解决死锁问题的思路：

1. 限制最多只允许4个哲学家进餐。
2. 要求奇数号的哲学家先拿左手边筷子，偶数号哲学家先拿右手边筷子。
3. 要求有人拿筷子的时候，其他人不能拿。（有书上说的是，当左右筷子都可用时才允许拿起来）

第三种方法：

情况说明：

• 0号想吃饭，拿起左边筷子时，此时进程切换，2号想吃饭了，2号被mutex阻塞，只能等到0号吃完，2号采可以拿筷子、吃饭。
• 0号拿起左右筷子，对mutex解锁后，0号开始吃饭，1号此时只能拿起左筷子，拿右筷子时被阻塞，如果此时2号也想吃饭，但它一根筷子也拿不了（即使左右都有筷子可用），因为被mutex阻塞了。只能等1号吃完，它再吃。
• 0号拿起左右筷子，对mutex解锁后，0号开始吃饭，4号想吃饭，只能拿起左侧的筷子，拿右筷子时被阻塞
  哲学家进餐问题的关键在于解决进程死锁
  哲学家进餐问题的关键在于解决进程死锁
  哲学家进餐问题的关键在于解决进程死锁