操作系统经典的同步问题(生产者消费者问题, 哲学家进餐问题, 读写问题)

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了操作系统经典的同步问题(生产者消费者问题, 哲学家进餐问题, 读写问题)相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

用专业术语来说, 进程是程序的一次动态执行.说简单点, 就是进程是系统中的某个任务.操作系统中有多个任务需要执行, 那么怎样执行才能使它们同步呢? 即如何让任务并发执行互不影响呢? 这就引出了进程同步中的经典问题: 生产者消费者问题, 哲学家进餐问题, 读写问题

 

生产者-消费者问题

有一群生产者进程在生产产品, 并将这些产品提供给消费者进程取消费. 为使生产者进程与消费者进程能并发进行, 在两者间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池, 生产者进程将其所生产的产品翻入缓冲区中, 消费者进程可从一个缓冲区中取走产品取消费.生产者消费者进程都以异步方式进行, 但它们之间必须保持同步, 不允许消费者进程到空缓冲区去取产品, 也不允许生产者进程向已满的缓冲区投放产品.

一个缓冲池中有n个缓冲区, 只要缓冲池未满, 生产者便可以投放产品; 缓冲池为空, 消费者便可以消费产品

法一:记录型信号量

//生产者消费者问题
//记录型信号量
//缓冲池中有n个缓冲区, 互斥信号量mutex, 
//信号量empty表示空缓冲区数量, full表示满缓冲区的数量
int in = out = 0;
item buffer[n];
semaphore mutex = 1, empty = n, full = 0;
void producer() {
    do {
        producer an item nextp;
        wait(empty);
        wait(mutex);
        buffer[in] = nextp;
        in = (in + 1) % n;
        signal(mutex);
        signal(full);
    } while(true);
}
void consumer() {
    do {
        wait(full);
        wait(mutex);
        nextc = buffer[out];
        out = (out + 1) % n;
        signal(mutex);
        signal(empty);
        consumer the item in nextc;
    } while(true);
}
void main() {
    cobegin
        producer();
        consumer();
    coend
}

注意: 对信号量的wait()和signal()操作必定是成对出现的.

法二:AND型信号量

//AND型信号量
//Swait(empty, mutex)代替wait(empty)和wait(mutex)
//Ssignal(mutex,full)代替signal(mutext)和signal(full)
//Swait(full, mutex)代替wait(full)和wait(mutex)
//Ssignal(mutex, empty)代替signal(mutex)和signal(empty)
int in = out = 0;
item buffer[n];
semaphore mutex = 1, empty = n, full = 0;
void producer() {
    do {
        producer an item nextp;
        Swait(empty, mutex);
        buffer[in] = nextp;
        in = (in + 1) % n;
        Ssignal(mutex, full);
    } while(true);
}
void consumer() {
    do {
        Swait(full, mutex);
        nextc = buffer[out];
        out = (out + 1) % n;
        Ssignal(mutex, empty);
        consumer the item in nextc;
    } while(true);
}
void main() {
    cobegin
        producer();
        consumer();
    coend
}

 

法三: 管程

//管程
//建立管程producerconsumer,PC
/*
put(x), 生产者利用该过程将自己生产的产品投放到缓冲池中, 并用整型变量count表示缓冲池中已有的产品数目,当
count>=N时, 表示缓冲池已满,生产者需等待.
get(x), 消费者利用该过程从缓冲池中取出一个产品, 当count<=0时, 表示缓冲池已无可用的产品, 消费者需等待
condition 为notfull和notempty
cwait(condition), 当管程被一个进程占用时, 其他进程调用该进程时阻塞, 并挂在条件condition的队列上
csignal(condition), 唤醒在cwait执行后阻塞在条件condition队列上的进程, 如果这样的进程不止一个, 则选择其中一个
实施唤醒操作, 如果队列为空, 则无操作而返回.
*/
Monitor producerconsumer {
    item buffer[N];
    int in, out;
    condition notfull, notempty;
    int count;
    public:
        void put(item x) {
            if (count >= N) cwait(notfull);
            buffer[in] = x;
            in = (in + 1) % N;
            count++;
            ssignal(notempty);
        }
        void get(item x) {
            if (count <= 0) cwait(notempty);
            x = buffer[out];
            out = (out + 1) % N;
            count--;
            csignal(notfull);
        }
        {
            in = 0;
            out = 0;
            count = 0;
        }
}PC;

void producer() {
    item x;
    while (true) {
        producer an item in nextp;
        PC.put(x);
    }
}
void consumer() {
    item x;
    while (true) {
        PC.get(x);
        consumer the item in nextc;
    }
}
void main() {
    cobegin
        producer();
        consumer();
    coend
}

 

哲学家进餐问题

五个哲学家公用一张圆桌, 分别坐在周围的五张桌子上, 在圆桌上有五个碗和五只筷子交叉排列, 它们的生活方式是交替的进行思考和进餐. 哲学家进行思考时不用筷子, 饥饿时取一只他两边的任意一只筷子(默认取左边的筷子, 没有时取右边的, 都没有时就取不了), 当他有两只筷子时就能进餐. 进餐后, 放下筷子继续思考.若只有一只筷子, 不放弃该筷子并等待拥有另一只筷子时再进餐.

用一个信号量表示一只筷子, 共五个信号量 semaphore chopsitck[5] = {1, 1, 1, 1, 1}; , 为 1 表示筷子未拿起, 为0表示筷子被拿起.那么第i为科学家的进餐活动就可以描述为

法一:记录型信号量

do {
    wait(chopstick[i]);
    wait(chopstick[(i + 1) % 5]);
    //eat
    signal(chopstick[i]);
    signal(chopstick[(i + 1) % 5]);
    //think
} while (true);

假设五位哲学家都要拿筷子(都拿左手边), 那么将没有人可以 用餐, 就会陷入死锁状态.则哲学家进餐的解决方法:

1.至多允许四位哲学家拿同一边的筷子, 则可让至少一位哲学家先用餐, 用餐完后释放筷子进而让其他哲学家有机会用餐.

2.五位哲学家先竞争奇数(偶数)好筷子, 在竞争偶数(奇数)号筷子, 总会有一位哲学家能进餐.

 

法二: AND型信号量

//AND型信号量
semaphore chopstick[5] = {1, 1, 1, 1, 1};
do {
    //think
    Swait(chopsitck[(i + 1) % 5], chopsitck[i]);
    //eat
    Ssignal(chopsitck[(i + 1) % 5], chopsitck[i]);
} while (true);

 

 

读者-写者问题

一个数据文件或记录可被多个进程所共享, 则我们称这个文件或记录为共享对象.读文件的进程称为Reader进程, 写文件的进程称为Writer进程.共享对象可以被多个Reader进程, 因为读进程并不会破坏数据, 但是Writer进程在任何时刻只能有一个, 且须与其他对象互斥的访问共享对象, 否则多个写进程会造成冲突. 读写者问题即一个Writer进程必须与其他进程互斥的访问共享对象.

设置写互斥信号量wmutex

设置读互斥信号量rmutex

整型变量readcount表示正在读的进程数目(Reader)

当readcount!=0时, 表示有Reader进程,此时不能进行Writer进程.

法一:

//记录型信号量
semaphore rmutext = 1, wmutext = 1;
int readcount = 0;
void Reader() {
    do {
        wait(rmutex);
        if (readcount == 0) {
            wait(wmutex);
        }
        readcount++;
        signal(rmutex);
        
        perform read operation;
        
        wait(rmutex);
        readcount--;
        if (readcount == 0) {
            signal(wmutext);
        }
        signal(rmutex);
    } while (true);
}

void Writer() {
    do {
        wait(wmutex);
        perform write operation;
        signal(wmutex);
    } while (true);
}
void main() {
    cobegin
        Reader();
        Writer();
    coend
}

 

 

法二:

引入RN, 表示最多允许RN个Reader进程同时读

信号量L初始为RN

//信号量集
int RN;
semaphore L = RN, mx = 1;
void Reader() {
    do {
        Swait(L, 1, 1);
        Swait(mx, 1, 0);
        
        perform read operation;
        
        Ssignal(L, 1);
    } while (true);
}
void Writer() {
    do {
        Swait(mx, 1, 1; L, RN, 0);
        perform write operation;
        Ssignal(mx, 1);
    } while (true);
}

void main() {
    cobegin
        Reader();
        Writer();
    coend
}

 

以上是关于操作系统经典的同步问题(生产者消费者问题, 哲学家进餐问题, 读写问题)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

经典进程的同步问题(生产者--消费者问题哲学家进餐问题读者--写者问题)

(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第三节11:哲学家进餐问题

操作系统笔记四 进程管理进程同步

java 与操作系统进程同步问题————经典消费者生产者问题

操作系统王道考研 p22-26 生产者消费者问题多生产者多消费者问题吸烟者问题读者写者问题哲学家进餐问题

操作系统——2.2-3经典进程的同步问题