吸烟者问题读者—写者问题以及哲学家进餐问题的实现

Posted 2021-09-09 bfhonor

一、吸烟者问题

• 假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者不停地卷烟并抽掉它，但是要卷起并抽掉一支烟，抽烟者需要有三种材料：烟草、纸和胶水。三个抽烟者中，第一个拥有烟草、第二个拥有纸、第三个拥有胶水。供应者进程无限地提供三种材料，供应者每次将两种材料放桌子上，拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它，并给供应者进程一个信号告诉完成了，供应者就会放另外两种材料再桌上，这个过程一直重复（让三个抽烟者轮流地抽烟）
  
  本质上这题也属于“生产者-消费者”问题，更详细的说应该是“可生产多种产品的单生产者-多消费者”。
  ①、关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、互斥关系。
  ②、整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序
  ③、设置信号量。设置需要的信号量，并根据题目条件确定信号量初值。（互斥信号量初值一般为1，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少）
  
  

（一）如何实现

• 吸烟者问题可以为我们解决“可以生产多个产品的单生产者”问题提供一个思路。
• 值得吸取的精华是：“轮流让各个吸烟者吸烟”必然需要“轮流的在桌上放上组合一、二、三”，注意体会我们是如何用一个整型变量 i 实现这个“轮流”过程的。
• 如果题目改为“每次随机地让一个吸烟者吸烟”，我们有应该如何用代码写出这个逻辑呢？
• 若一个生产者要生产多种产品（或者说会引发多种前驱事件），那么各个V操作应该放在各自对应的“事件”发生之后的位置。

二、读者—写者问题

• 有读者和写者两组并发进程，共享一个文件，当两个或两个以上的读进程同时访问共享数据时不会产生副作用，但若某个写进程和其他进程（读进程或写进程）同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。因此要求：
  ①允许多个读者可以同时对文件执行读操作；
  ②只允许一个写者往文件中写信息；
  ③任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作；
  ④写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。
  

1. 关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、互斥关系。
   ①、两类进程：写进程、读进程
   ②、互斥关系：写进程—写进程、写进程—读进程。读进程与读进程不存在互斥问题。
2. 整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序
3. 设置信号量。设置需要的信号量，并根据题目条件确定信号量初值。（互斥信号量初值一般为1，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少）
   
   

• 读者-写者问题为我们解决复杂的互斥问题提供了一个参考思路。
• 其核心思想在于设置了一个计数器 count 用来记录当前正在访问共享文件的读进程数。我们可以用count 的值来判断当前进入的进程是否是第一个/最后一个读进程，从而做出不同的处理。
• 另外，对 count 变量的检查和赋值不能一气呵成导致了一些错误，如果需要实现“一气呵成”，自然应该想到用互斥信号量。
• 最后，还要认真体会我们是如何解决“写进程饥饿”问题的。

三、哲学家进餐问题

• 一张圆桌上坐着5名哲学家，每两个哲学家之间的桌上摆一根筷子，桌子的中间是一碗米饭。哲学家们倾注毕生的精力用于思考和进餐，哲学家在思考时，并不影响他人。只有当哲学家饥饿时，才试图拿起左、右两根筷子（一根一根地拿起）。如果筷子已在他人手上，则需等待。饥饿的哲学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐，当进餐完毕后，放下筷子继续思考。
  

1. 关系分析。系统中有5个哲学家进程，5位哲学家与左右邻居对其中间筷子的访问是互斥关系。
2. 整理思路。这个问题中只有互斥关系，但与之前遇到的问题不同的事，每个哲学家进程需要同时持有两个临界资源才能开始吃饭。如何避免临界资源分配不当造成的死锁现象，是哲学家问题的精髓。
3. 信号量设置。定义互斥信号量数组chopstick[5]={1,1,1,1,1} 用于实现对5个筷子的互斥访问。并对哲学家按0~4编号，哲学家 i 左边的筷子编号为 i，右边的筷子编号为 (i+1)%5。
   

• 上边的情况是不合理的，会产生死锁问题，那么我们应该如何防止死锁的发生呢？

（一）如何实现？

1. 方案一

• ①可以对哲学家进程施加一些限制条件，比如最多允许四个哲学家同时进餐。这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的。

2. 方案二

• ②要求奇数号哲学家先拿左边的筷子，然后再拿右边的筷子，而偶数号哲学家刚好相反。用这种方法可以保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭，那么只会有其中一个可以拿起第一只筷子，另一个会直接阻塞。这就避免了占有一支后再等待另一只的情况。

3. 方案三

• ③仅当一个哲学家左右两支筷子都可用时才允许他抓起筷子。
• 第一种情况：第0个科学家进行进餐；在第0个科学家进餐完之前，其他科学家进程阻塞。只有当第0个科学家进餐完毕后，其他科学家才可以进餐。
  
• 第二种情况：第0个科学家进行进餐；在第0个科学家进餐完之前，其他科学家进程阻塞。只有当第0个科学家进餐完毕后，其他科学家才可以进餐。但是如果是第0个科学家的右边的第1个科学家进餐的话会发生阻塞，并且即使第2个科学家左右两边都有筷子，也暂时无法取得。
  
• 第三种情况：第0个科学家进行进餐；在第0个科学家进餐完之前，其他科学家进程阻塞。只有当第0个科学家进餐完毕后，其他科学家才可以进餐。但是如果是第0个科学家的左边的第4个科学家进餐的话会发生阻塞，此时第4个科学家右边的筷子不可用，但是4号仍然会先拿起左边的筷子。
  
• 哲学家进餐问题的关键在于解决进程死锁。
• 这些进程之间只存在互斥关系，但是与之前接触到的互斥关系不同的是，每个进程都需要同时持有两个临界资源，因此就有“死锁”问题的隐患。
• 如果在考试中遇到了一个进程需要同时持有多个临界资源的情况，应该参考哲学家问题的思想，分析题中给出的进程之间是否会发生循环等待，是否会发生死锁。可以参考哲学家就餐问题解决死锁的三种思路。