第3章 进程的同步与通信.docx
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第3章进程的同步与通信
第3章进程的同步与通信
3.2例题解析
例3.2.1多道程序系统程序的执行失去了封闭性和再现性，因此多道程序的执行不需要这些特性，这种说法是否正确？
解这种说法不正确。
可以想象，如果一个程序在多道程序系统中，在相同的输入的情况下，多次执行所得结果是不同的，有谁还敢使用这个程序？
因此，多道程序的执行也需要封闭性和再现性，只不过单道程序系统的封闭性和再现性是先天固有的，多道程序系统的程序执行要想获得封闭性和再现性，需通过程序员的精心设计才能得到。
所使用的方法就是同步和互斥的方法。
例3.2.2多个进程对信号量S进行了5次P操作，2次V操作后，现在信号量的值是-3，与信号量S相关的处于阻塞状态的进程有几个？
信号量的初值是多少？
解
（1）因为S的当前值是-3，因此因为S处于阻塞状态的进程有3个；
（2）因为每进行一次P（S）操作，S的值都减1，每执行1次V操作S的值加1，故信号量的初值为-3+5-2=0;
例3.2.3如下锁的实现方法存在什么缺点？
如何改进？
LOCK（X）UNLOCK（X）
{{
dowhileX=1;X=0;
X=1
}}
解存在的缺点是：
当锁是关闭时，采用的是循环等待的方法，这样的等待还是要占用处理机的时间，应该采用阻塞等待的方法。
改进的锁实现如下：
LOCK（X）UNLOCK（X）
{{
ifX.value=1ifnotempty（X.L）
{insert（*,X.L）;{P=remove（X.L）;
Block（*）Wakeup（P）
}}
elseX.Value=1elseX.Value=0
}}
这里X.value是锁的值，X.L是存放由于锁X而阻塞的进程的队列。
insert（*,X.L）将当前进程的进程号插入到X.L，remove（X.L）是从X.L中移出一个进程号。
例3.2.4使用多个进程计算Y=F1（X）+F2（X）.
解
（1）确定并发和顺序操作
在这个问题中，F1（X）和F2（X）的计算是可以并行处理的，因此F1（X）和F2（X）可以分别出现在两个进程中。
（2）确定互斥或同步的规则
在F1（X）+F2（X）中，必须在F1（X）和F2（X）计算完毕，才能进行加法运算，因此本问题是同步问题。
（3）同步的操作流程
〈进程main〉
创立进程p1来计算F1（X）；
创立进程p2来计算F2（X）；
F1（X）计算是否完成？
没有，等待；
F2（X）计算是否完成？
没有，等待；②
进行加法运算。
〈进程p1〉
y1=F1（X）；
设置F1（X）计算完成标志；③
〈进程p2〉
y1=F2（X）；
设置F2（X）计算完成标志。
④
（4）确定信号量的个数和含义
根据同步规则以及操作流程确定信号量的个数是2个，S1和S2：
S1含义是F1（X）计算是否完成；
S2含义是F2（X）计算是否完成。
（5）确定信号量的初值
S1=0；
S2=0。
（6）确定P、V操作的位置
上面①处是一个P操作，P（S1）；
上面②处是一个P操作，P（S2）；
上面③处是一个V操作，V（S1）；
上面④处是一个V操作，V（S2）。
解法1
Main（）
Publicy,y1,y2,.P1,P2
SemaphoreS1,S2
{
S1=0;
S2=0;
P1=Creat（N-F1,F1,x,……）;
P2=Creat（N-F2,F2,x,……）;
P（S1）;
P（S2）;
y=y1+y2;
}
ProcedureF1（x）
{
y1=计算1;
V（S1）；
}
ProcedureF2（x）
{
y2=计算2;
V（S2）
}
解法2
Main（）
Publicy,y1,y2,.P1,x
SemaphoreS1
{input（x）;
S1=0;
P1=Creat（N-F1,F1,x,……）;
Y2=F2（x）;
P（S1）;
y=y1+y2;
}
ProcedureF1（x）
{
y1=计算1;
V（S1）
}
采用2个进程和1个信号量来实现Y=F1（X）+F2（X）的时候，采用的方法是父进程创立子进程，F1（X）在子进程中计算，F2（X）在父进程中计算，因此F1（X）和F2（X）计算仍然是并发进行的。
S1信号量的含义为F1（X）是否完成。
改进的方法比原来的方法节约一个进程和一个信号量，但并发操作的程度并没有降低。
例3.2.5生产者—消费者问题演变。
情况1一个buffer，一个生产者，一个消费者，生产者只生产一个东西，消费者只进行一次消费，即：
生产者只进行一次putdata操作，消费者只进行一次getdata操作。
解这是一个同步问题，生产者和消费者分别是2个并发的进程。
（1）操作规则
如果buffer为空，则消费者只能等待。
（2）操作流程
<生产者>
{
putdata；
设置Buffer有数据标志V（S）
}
<消费者>
{
判断buffer是否有产品，没有则等待；
getdata；
}
（3）信号量
设置1个信号量full，full表示buffer是否有数据，初值为0。
（4）P、V操作实现
varfull:
semaphore:
=0;
buffer:
array[1]ofitem;
begin
parbegin
producer:
begin
putdata；
V（full）;
end
consumer:
begin
P（full）;
getdata;
end
parend
end
情况2一个buffer，一个生产者，一个消费者，生产者不断地进行putdata操作，消费者不断地进行getdata操作，即：
生产者不断地生产，消费者不断地消费
（1）操作规则
只有buffer为空时才能进行putdata操作；只有buffer有数据时才能进行putdata操作。
（2）操作流程
<生产者>
{
repeat
判断buffer是否为空，不空则等待；
putdata；
设置buffer有数据的标志；
untilfalse
}
<消费者>
{
repeat
判断buffer是否有数据，没有数据则等待；
getdata；
设置buffer为空标志；
untilfalse
}
（3）信号量
设置2个信号量full和empty。
full表示buffer是否有数据。
因为进程在初始状态时，buffer中没有数据，故初值为0，变化范围-1~1。
empty表示buffer是否为空。
因为进程在初始状态时，buffer为空，故初值为0初值为1，变化范围-1~1。
（4）P、V操作实现
varfull:
semaphore:
=0;
emptyl:
semaphore:
=1;
buffer:
array[1]ofitem;
begin
parbegin
producer：
begin
repeat
P（empty）；
putdata；
V（full）;
untilfalse
end
consumer：
begin
repeatP（full）；
getdata；
V（empty）；
untilfalse.
end
parend
end
情况3一个buffer，多个生产者，多个消费者，多个生产者和消费者都在不断地存取buffer，即生产者不断地进行putdata操作，消费者不断地进行getdata操作。
（1）操作规则
只有buffer为空时才能进行putdata操作；只有buffer有数据时才能进行putdata操作。
这时buffer变成了临界资源，不允许多个进程同时操作buffer，即不允许多个消费者同时进行gedata，不允许多个生产者同时进行putdata操作。
（2）操作流程
<生产者>
{
repeat
判断buffer是否为空，不则等待；
是否可操作buffer；
putdata；
设置buffer可操作标志；
设置buffer有数据的标志；
untilfalse
}
<消费者>
{
repeat
判断buffer是否有数据，没有则等待；
是否可操作buffer；
getdata；
设置buffer可操作标志；
设置buffer为空标志；
untilfalse
}
（3）信号量
设置3个信号量full、empty和B-M。
full表示buffer是否有数据，初值为0；
empty表示buffer是否为空，初值为1；
B-M表示buffer是否可操作，初值为1。
由于buffer只有一个，full和empty可以保证对buffer的正确操作，故B-M是多余的，可以省略。
（4）P、V操作实现
<生产者><消费者>
{{
repeatrepeat
P（empty）；P（full）；
P（B-M）； P（B-M）；
putdata；getdata；
V（B-M）； V（B-M）；
V（full）；V（empty）；
untilfalse.untilfalse
}}
情况4多个生产者，多个消费者，N个buffer，多次循环存取buffer，即，即多个生产者不断地进行putdata操作，多个消费者不断地进行getdata操作。
（1）操作规则
只有buffer有空间才能进行putdata操作；
只有buffer有数据才能进行putdata操作；
这时buffer变成了临界资源，不允许多个消费者和生产者同时对同一个buffer进行gedata和putdata操作。
（2）操作流程
<生产者>
{
repeat
判断buffer是否有空间，没有则等待；
是否可操作buffer；
putdata；
设置buffer可操作标志；
设置buffer有数据的标志；
untilfalse
}
<消费者>
{
repeat
判断buffer是否有数据，没有则等待；
是否可操作buffer；
getdata；
设置buffer可操作标志；
设置buffer有空间标志；
untilfalse
}
（3）信号量
full表示buffer是否有数据，初值为0;
empty表示buffer是否为空，初值为N；
B-M表示buffer是否可操作，初值为1。
（4）P、V操作实现
<生产者><消费者>
{{
repeatrepeat
P（empty）；P（full）；
P（B-M）； P（B-M）；
putdata；getdata；
V（B-M）； V（B-M）；
V（full）；V（empty）；
untilfalseuntilfalse
}}
（5）改进的P、V操作实现
在上述的实现中，putdata和getdata操作都在临界区中，因此多个进程对多个buffer的操作是不能并发进行的，进程间并行操作的程度很低。
实际上只要保证多个进程同时操作不同buffer就可以实现对整个buffer的并行操作。
因此，只要保证为不同的进程分配不同buffer，putdata和getdata操作是可以同时进行。
这样互斥不是发生在对buffer的存取操作上，而是发生在对buffer的分配上，这个时间与存取buffer的时间相比是较短的，因此减少了进程处于临界区的时间。
这里引入２个函数:
getE_buffer（），返回值是空的buffer号；
getD_buffer（），返回值是有数据的buffer号。
getE_buffer（）和getD_buffer（）通过将buffer转换成循环队列的方法来实现对buffer的分配。
buffer设有Pbuff，Pdata两个指针，分别指向空闲buffer和有数据buffer 的头，每进行一次getE_buffer（）和getD_buffer（），Pbuff和Pdata两个指针分别向后移动一个位置。
GetE_buffer（）
{c=Pbuff
Pbuff=（Pbuff+1）MODN;
Return（c）
}
getD_data（）
{c=Pdata;
Pdata=（pdata+1）MODN;
Return（c）
}
改进的程序描述如下：
varmutex.empty,full:
semaphore:
=1,n,0;
buffer:
array[0,…,n-1]ofitem;
Pbuff，Pdata:
integer:
=0,0;
begin
parbegin
producer:
begin
repeat
┇P（empty）;
P（B_M）;
in:
=getE_buffer（）;
V（B_M）
putdata（in）;V（full）;
untilfalse;
end
consumer:
begin
repeat
P（full）;
P（B_M）;out:
=getD_buffer（）;
V（B_M）;
Getdata（out）;
V（empty）;
untilfalse
end
parend
end
例3.2.6设公共汽车上，司机和售票员的活动分别为：
司机的活动为启动车辆，正常行车，到站停车；售票员的活动为关车门，售票，开车门。
试问：
（1）在汽车不断地到站、停车、行驶过程中，司机和售票员的活动是同步关系还是互斥关系？
（2）用信号量和P、V操作实现他们间的协调操作。
解
（1）确定并发和顺序操作
在这个问题中，司机与售票员间是并行操作的，司机和售票员本身的操作是顺序进行的。
因此司机是一个进程，售票员是一个进程，它们之间是同步关系。
（2）确定同步的规则
根据一般常识，司机和售票员在车上的操作规则如下：
1）售票员操作的规则是只有司机停车后，售票员才能开门让乘客上下车；
2）司机操作的规则是只有售票员关门后，司机才能启动开始行驶汽车。
可见，售票员关车门后，要向司机发开车信号，司机接到开车信号后才能启动车辆。
在汽车正常行驶过程中售票员售票，到站时司机停车，售票员在车停后开车门，让乘客上下车。
因此司机启动车辆的动作必须与售票员的动作取得同步；售票员开车门的动作也必须同司机停车取得同步。
（3）进程的操作流程
<售票员进程>
dowhileT
关车门；
设立车门已关标志;
售票；
是否停车？
没停则等待;
开车门；
上下乘客；
enddo
<司机进程>
dowhileT
是否关门？
没关则等待;
启动车辆；
正常行车；
到站停车；
设立车停标志;
enddo
（4）确定信号量的个数和含义
根据同步规则以及操作流程确定信号量的个数是2个，S1和S2。
S1的含义是否关门；
S2的含义是否停车。
（5）确定信号量的初值
S1=0；
S2=1。
（6）确定P、V操作的位置
司机操作中，是否关门？
没关则等待，这是一个P操作，P（S1）；
司机操作中，设立停车标志，这是一个V操作，V（S2）；
售票员操作中，是否停车？
没停则等待，这是一个P操作，P（S2）；
售票员操作中，设立关门标志，这是一个V操作，V（S1）。
（7）P、V操作实现
intS1=0;
intS2=1;
main（）
{
cobegin
driver（）;busman（）;
coend
}
driver（）
{dowhileT
{P（S1）；
启动车辆；
正常行车；
到站停车；
V（S2）；
}
}
busserver（）
{dowhileT
{关车门；
V（S1）；
售票；
P（S2）；
开车门；
上下乘客；
}
}
例3.2.7在OS中引入管程的目的是什么？
解在OS中引入管程的目的是为了更简便、更可靠地解决进程之间的同步、互斥问题。
在未引入管程之间，进程间的同步、互斥问题是由程序员处理的。
例如，在临界区的前后插入P、V操作。
但是，由程序员处理同步、互斥问题有可能引入种种人为的错误。
管程主要是管理对共享数据的操作和使用，即把对共享数据互斥使用的控制这一任务从程序员身上，交由编译程序去处理，这样既方便了编程，又不会产生人为的同步、互斥上的错误。
例3.2.8说明管程中条件变量的含义及作用。
解管程中的条件变量（类型为Condition）是供调用管程中外部过程的进程执行Wait和Signal操作将自己挂起和解挂的变量。
可通过与信号量的比较来认识条件变量：
（1）信号量要赋初值而条件变量不赋初值，它只是一个队首指针；
（2）在信号量上执行P操作的进程不一定会被阻塞，而在条件变量上执行Wait操作的进程肯定被挂起；
（3）在信号量上的V操作将导致信号量值加1，若增加后的值小于等于0，则要唤醒在信号量上等待的进程，但唤醒者不受什么影响；而在条件变量上的Signal操作却有两种处理方式：
P等待，直到Q离开管程，或等待另一条件；Q等待，直到P离开管程，或等待另一条件。
P、Q是两个进程。
例3.2.9如果信号量Ｓ的初值是５，现在信号量的值是-５，那么系统中的相关进程至少执行了几个Ｐ（S）操作？
与信号量S相关的处于阻塞状态的进程有几个？
如果要使信号量S的值大于0，应该进行怎样的操作？
解
（1）因为每执行一次P操作S的值减1，5-（-5）=10，在这期间有可能有进程执行V操作，使S的值加1，所以至少执行了10次P（S）；
（2）5个；
（3）6个V（S）或5个以上。
例3.2.10如下图所示，有多个PUT操作同时向BUFF1放数据，有一个MOVE操作不断地将BUFF1的数据移到Buff2，有多个GET操作不断地从Buff2中将数据取走。
BUFF1的容量为m，BUFF2的容量是n,PUT、MOVE、GET每次操作一个数据，在操作的过程中要保证数据不丢失。
试用Ｐ、Ｖ原语协调PUT、MOVE的操作，并说明每个信号量的含义和初值。
图4.2进程操作图
解
（1）确定并发的操作
本问题是把2个消费者和生产者问题综合在一起。
多个PUT操作与一个MOVE操作并发进行，多个GET操作与一个MOVE操作并发进行。
因此本题涉及三类进程：
PUT类进程，有多个；GET类进程，有多个；MOVE类进程，有1个。
（2）操作规则
1）只有buff1有空间才能进行PUT操作；
2）只有buff1有数据，buff2有空间才能进行MOVE操作；
3）只有buff2有数据才能进行GET操作；
4）不允许多个进程同时操作buff1；
5）不允许多个进程同时操作buff2。
（3）操作流程
{
repeat
判断buff1是否有空间，没有则等待；
是否可操作buff1；
PUT；
设置buff1可操作标志；
设置buff1有数据的标志；
untilfalse
}
{
repeat
判断buff1是否有数据，没有则等待；
判断buff2是否有空间，没有则等待；
是否可操作buff1；
是否可操作buff2；
MOVE；
设置buff1可操作标志；
设置buff2可操作标志；
设置buff1有空间标志；
设置buff2有数据标志；
untilfalse
}
{
repeat
判断buff2是否有数据，没有则等待；
是否可操作buff2；
GET；
设置buff1可操作标志；
设置buff1有空间标志；
untilfalse
}
（4）信号量
设置6个信号量full1、empty1、B-M1、full2、empty2、B-M2，它们的含义和初值如下：
1）full1表示buff1是否有数据，初值为0；
2）empty1表示buff1有空间，初值为m；
3）B-M1表示buff1是否可操作，初值为1；
4）Full2表示buff2是否有数据，初值为0；
5）Empty2表示buff2有空间，初值为n；
6）B-M2表示buff2是否可操作，初值为1；
（5）P、V操作实现
{
repeat
P（empty1）；/*判断buff1是否有空间，没有则等待*/
P（B-M1）；/*是否可操作buff1*/
PUT；
V（B-M1）；/*设置buff1可操作标志*/
V（full1）；/*设置buff1有数据的标志*/
untilfalse
}
{
repeat
P（full1）；/*判断buff1是否有数据，没有则等待*/
P（empty2）；/*判断buff2是否有空间，没有则等待*/
P（B-M1）；/*是否可操作buff1*/
P（B-M2）；/*是否可操作buff2*/
MOVE；
V（B-M1）；/*设置buff1可操作标志*/
V（B-M2）；/*设置buff2可操作标志*/
V（empty1）；/*设置buff1有空间标志*/
V（full2）；/*设置buff2有数据标志*/
untilfalse
}
{
repeat
P（empty2）；/*判断buff2是否有空间，没有则等待*/
P（B-M2）；/*是否可操作buff2*/
GET；
V（B-M2）；/*设置buff2可操作标志*/
V（full2）；/*设置buff2有数据的标志*/
untilfalse
}
例3.2.11一售票厅只能容纳300人，当少于300人时，可以进入；否则，需在外等候。
若将每一个购票者作为一个进程，请用P、V操作编程，并写出信号量的初值。
解〈购票者进程〉
{┋
P（S）；
进入售票厅；
购票；
退出售票厅；
V（S）；
}
信号量的初值
S=300
例3.2.12设A、B为两个并发进程，它们共享一个临界资源，其执行临界区的算法框图如下图所示。
试判断该算法是否有错？
请说明理由。
如果有错，请改正。
S1、S1的初值为0，CSA、CSB为临界区。
A进程B进程
图4.3进程操作图
分析咋一看，好像是A进程开始未执行P操作，便直接进入临界区，以为问题出在这里。
从图中可分析出A、B两进程的执行思路：
A进程对临界资源操作结束后，将其释放给B进程，而B进程对临界资源操作结束后，将释放给进程A。
系统初启时，S1、S2初值为0，则B执行P（S1）被阻塞，而A进程可直
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