操作系统习题问题详解第3.docx
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操作系统习题问题详解第3
CH3应用题参考答案
1、有三个并发进程：
R负责从输入设备读入信息块，M负责对信息块加工处理；P负责打印输出信息块。
今提供；
l）一个缓冲区，可放置K个信息块；
2）二个缓冲区，每个可放置K个信息块；
试用信号量和P、V操作写出三个进程正确工作的流程。
答：
1）varB:
array[0,k-1]ofitem;
sread:
semaPhore:
=k;
smanage:
semaPhore:
=0;
swrite:
semaphore:
=0;
rptr:
integer:
=O;
mptr:
integer:
=O;
wptr：
integer:
=0;
x:
item
cobegin
processreader;processmanager;processwriter;
beginbeginbegin
LI:
readamessageintox;L2:
P（smanage）;L3:
P（swnte）;
P（sread）;x:
=B[mptr];x:
=B[swrite];
B[rptr]:
=x;mptr:
=（mptr+1）modk;wptr:
=（wptr+1）modk;
Rptr:
=（rptr+1）modk;managethemessageinx;V（sread）;
V（smanage）;B[mptr]:
=x;printthemessageinx;
GotoL1;V（swrite）;gotoL3;
End;gotoL2;end;
End;
coend
2）varA,B:
array[0,k-l]ofitem;
sPut1:
semaphore:
=k;
SPut2:
semaPhore:
=k;
sget1:
semaPhore:
=0;
sget2:
semaphore:
=0;
put1：
integer：
=O;
put2：
integer:
=0;
get1：
integer：
=O;
get2:
integer:
=O;
cobegin
processreader;processnmanager;processWriter;
beginbeginbegin
Ll:
readamessageintox;L2:
P（sgetl）;L3:
P（sgetZ）;
P（SPut1）;x:
=A[get1];x:
=B[get2];
A[put1]:
=x;get1：
（get1+1）modk;get2:
=（get2+l）modk;
Put1:
=（put1+1）modk;V（sput1）;V（sput2）;
V（sget1）;managethemessageintox;printthemessageinx;
GotoL1;P（sput2）;gotoL3;
Put2:
=（put2+1）modk;
V（sget2）;
GotoL2;
End;
Coend
2设有n个进程共享一个互斥段，如果：
（1）每次只允许一个进程进入互斥段；
（2）每次最多允许m个进程（m簇n）同时进入互斥段。
试问：
所采用的信号量初值是否相同？
信号量值的变化范围如何？
答：
所采用的互斥信号量初值不同。
1）互斥信号量初值为1，变化范围为［-n＋l,1］。
当没有进程进入互斥段时，信号量值为1；当有1个进程进入互斥段但没有进程等待进入互斥段时，信号量值为O；当有1个进程进入互斥段且有一个进程等待进入互斥段时，信号量值为-1；最多可能有n-1个进程等待进入互斥段，故此时信号量的值应为-（n-1）也就是-n+1。
2）互斥信号量初值为m，变化范围为［-n＋m,m］。
当没有进程进入互斥段时，信号量值为m；当有1个进程进入互斥段但没有进程等待进入互斥段时，信号量值为m-1：
当有m个进程进入互斥段且没有一个进程等待进入互斥段时，信号量值为0：
当有m个进程进入互斥段且有一个进程等待进入互斥段时，信号量值为一l；最多可能有n-m个进程等待进入互斥段，故此时信号量的值应为-（n-m）也就是-n+m.
3有两个优先级相同的进程P1和P2，各自执行的操作如下，信号量S1和S2初值均为0。
试问Pl、P2并发执行后，x、y、z的值各为多少？
P1:
P2:
Beginbegin
Y:
=1;x:
=1;
Y:
=y+3;x:
=x+5;
V（S1）;P（S1）;
Z:
=Y+1;X:
X+Y;
P（s2）;V（S2）;
Y:
=z+y;z:
=z+x;
Endend
答：
现对进程语句进行编号，以方便描述．
P1:
P2:
beginbegin
y:
=1；①x:
=1;⑤
y:
=y+3；②x：
x+5;⑥
V（S1）;P（S1）;
Z:
Y+1；③x：
X＋Y;⑦
P（s2）;V（S2）;
Y:
=z+y;④z：
=Z+X；⑧
Endend
①、②、⑤和⑥是不相交语句，可以任何次序交错执行，而结果是唯一的。
接着无论系统如何调度进程并发执行，当执行到语句⑦时，可以得到x=10,y=4。
按Bernstein条件，语句③的执行结果不受语句⑦的影响，故语句③执行后得到z=5。
最后，语句④和⑧并发执行，这时得到了两种结果为：
语句④先执行：
x=10,y=9,z=150
语句⑧先执行：
x=10,y=19,z=15
此外，还有第三种情况，语句③被推迟，直至语句⑧后再执行，于是依次执行以下三个语句：
7：
二z+X:
z:
=y+1;
y:
＝Z十y;
这时z的值只可能是y＋1=5，故y=Z＋Y=5+4=9，而x=10。
第三种情况为：
x=10，Y=9,Z=5。
4有一阅览室，读者进入时必须先在一张登记表上登记，该表为每一座位列出一个表目，包括座号、姓名，读者离开时要注销登记信息；假如阅览室共有100个座位。
试用：
l）信号量和P、V操作；2）管程，来实现用户进程的同步算法。
答：
1）使用信号量和P、v操作：
varname：
array[l…100]ofA;
A=record
number：
integer;
name：
string;
end
fori:
=1to100do{A[i].number：
i；A[i].name:
null;}
mutex,seatcount:
semaphore;
i:
integer；mutex:
=l;seatcount:
=100;
cobegin
{
processreaderi（varreadename：
string）（i=1,2…）
{
P（seatcount）;
P（mutex）;
fori:
=1to100doi++
ifA[i].name＝nullthenA[i].name：
readername；
readergettheseatnumber=i；/*A[I].number
V（mutex）
进入阅览室，座位号i，座下读书；
P（mutex）;
A[i]name：
null;
V（mutex）;
V（seatcount）;
离开阅览室；
}
}
coend
2）使用管程操作：
TYPEreadbook=monitor
VARR:
condition;
I,seatcount：
integer;
name：
array[l:
100]ofstring;
DEFINErcadercome,readerleave;
USEcheck,wait,signal,release;
Procedurereadercome（readername）
begin
check（IM）;
ifseatcount≥100wait（R,IM）
seatcount:
=seatcount+1;
fori=1to100doi++
ifname[i]==nullthenname[i]:
=readername;
gettheseatnumber=i;
release（IM）;
end
procedurereaderleave（readername）
begin
check（IM）;
seatcount--;
fori=1to100doi++
ifname［i］readernamethenname［i］:
null;
release（IM）;
end
begin
seatcount:
=1OO;name:
＝null;
end
cobegin
{
processreaderi（i=1,2．…）
begin
readercome（readername）;
readthebook;
readerleave（readername）;
leavethereadroom;
end
}
coend.
5.在一个盒子里，混装了数量相等的黑白围棋子·现在用自动分拣系统把黑子、白子分开，设分拣系统有二个进程P1和P2，其中P1拣白子；P2拣黑子。
规定每个进程每次拣一子；当一个进程在拣时，不允许另一个进程去拣；当一个进程拣了一子时，必须让另一个进程去拣．试写出两进程P1和P2能并发正确执行的程序。
答1：
实质上是两个进程的同步问题，设信号量s1和s2分别表示可拣白子和黑子，不失一般性，若令先拣白子。
varS1,S2:
semaphore;
S1:
=l;S2：
=0;
cobegin
{
processP1
begin
repeat
P（S1）;
拣白子
V（S2）;
untilfalse;
end
processP2
begin
repeat
P（S2）;
拣黑子
V（S1）;
untilfalse;
end
}
coend.
答2:
TYPEpickup-chess=MONITOR
VARflag:
boolean;
S-black,s-white:
codition;
DEFINEpickup-black,pickup-white;
USEwait,signal,check,release;
procedurepickup-black;
begin
check（IM）;
ifflagthenwait（s-black,IM）;
flag:
＝true;
pickupablack;
signal（S-white,IM）;
release（IM）;
end
procedurepickup-white;
begin
check（IM）;
ifnotflagthenwait（S-white,IM）;
flag:
=false;
pickupawhite;
signal（S-black,IM）;
release（IM）;
end
begin
flag:
=true;
end
main（）
{cobegin
process-B（）;
process-W（）;
coend
}
process-B（）
begin
pickup-chess.pickup-black（）;
other;
end
process-W（）
begin
pickup-chess.pickup-white（）;
other;
end
6管程的同步机制使用条件变量和wait及signal，尝试为管程设计一种仅仅使用一个原语操作的同步机制。
答：
可以采用形如waituntil＜条件表达式＞的同步原语。
如waituntil（numbersum+number7设公共汽车上，司机和售票员的活动分别如下：
司机的活动：
启动车辆：
正常行车；到站停车。
售票员的活动：
关车门；售票；开车门。
在汽车不断地到站、停车、行驶过程中，这两个活动有什么同步关系？
用信号量和P、V操作实现它们的同步。
答：
在汽车行驶过程中，司机活动与售票员活动之间的同步关系为：
售票员关车门后，向司机发开车信号，司机接到开车信号后启动车辆，在汽车正常行驶过程中售票员售票，到站时司机停车，售票员在车停后开门让乘客上下车。
因此，司机启动车辆的动作必须与售票员关车门的动作取得同步；售票员开车门的动作也必须与司机停车取得同步。
应设置两个信号量：
S1、S2;S1表示是否允许司机启动汽车（其初值为0）;S2表示是否允许售票员开门（其初值为0）。
用P、v原语描述如下：
varS1,S2:
semaphore;
S1=0；S2=0；
cobegin
{
driver（）;
busman（）;
}
coend
driver（）
begin
while
（1）{
P（S1）
启动车辆；正常行车；到站停车；
V（S2）;
}
end
busman（）
begin
while
（1）{
关车门；
V（51）
售票;
P（S2）
开车门；
上下乘客；
}
end
8、一个快餐厅有4类职员：
（l）领班：
接受顾客点菜；
（2）厨师：
准备顾客的饭菜；（3）包工：
将做好的饭菜打包；（4）出纳员：
收款并提交食品。
每个职员可被看作一个进程，试用一种同步机制写出能让四类职员正确并发运行的程序。
答：
典型的进程同步问题，可设四个信号量51、S2、S3和S4来协调进程工作。
varS1,S2,S3,S4:
semaphore;
S1:
=1;S2：
=S3:
=S4:
=0;
cobegin
{processP1
begin
repeat
有顾客到来；
P（S1）；
接受顾客点菜；
V（52）；
untilefalse；
end
processP2
begin
repeat
P（S2）;
准备顾客的饭菜；
v（S3）;
untilefalse;
end
processP3
begin
repeat
P（S3）;
将做好的饭菜打包；
V（S4）;
untilefalse;
end
processP4
begin
repeat
P（54）;
收款并提交食品；V（51）;
ufltilefalse;
end
}
coend.
9、在信号量S上作P、v操作时，S的值发生变化，当S>0、S=0、S<0时，它们的的物理意义是什么？
答：
S的值表示它代表的物理资源的使用状态：
S>0表示还有共享资源可供使用。
S阅表示共享资源正被进程使用但没有进程等待使用资源。
S<0表示资源已被分配完，还有进程等待使用资源。
10
（1）两个并发进程并发执行，其中，A、B、C、D、E是原语，试给出可能的并发执行路径。
ProcessPProcessQ
beginbegin
A;D;
B;E;
C;end:
end;
（2）两个并发进程P1和P2并发执行，它们的程序分别如下：
P1P2
repeatrepeat
k:
=k×2;printk;
k:
=k+1;k:
=0;
untilfalse;untilfalse;
若令k的初值为5，让P1先执行两个循环，然后，P1和P2又并发执行了一个循环，写出可能的打印值，指出与时间有关的错误。
答：
（1）共有10种交错执行的路径：
A、B、C、D、E;A、B、D、E、C;A、B、D、C、E;
A、D、B、E、C;A、D、B、C、E;A、D、E、B、C;
D、A、B、E、C;D、A、B、C、E;D、A、E、B、C;D、E、A、B、C。
（2）把语句编号，以便于描述：
P1P2
repeatrepeat
k:
=k×2；①printk；③
k:
=k+l；②k:
=0；④
untilfalse;untilfalse;
l）K的初值为5，故P1执行两个循环后，K=23。
2）语句并发执行有以下情况：
①、②、③、④，这时的打印值为：
47
③、④、①、②，这时的打印值为：
23
①、③、②、④，这时的打印值为：
46
①、③、④、②，这时的打印值为：
46
③、①、②、④，这时的打印值为：
23
③、①、④、②，这时的打印值为：
23
由于进程P1和P2并发执行，共享了变量K，故产生了‘结果不唯一’。
11证明信号量与管程的功能是等价的：
（l）用信号量实现管程；
（2）用管程实现信号量。
答：
（1）用信号量实现管程；
Hoare是用信号量实现管程的一个例子，详见课文内容。
下面介绍另一种简单方法：
每一个管程都对应一个mutex，其初值为1，用来控制进程互斥调用管程。
再设一个初值为0的信号量，用来阻塞等待资源的进程。
相应的用信号量实现的管程库过程为：
Varmutex,c:
semaphore;
mutex:
=1;c:
=0;
voidenter-monitor（）/*进入管程代码，保证互斥
P（mutex）;
}
voidleave-monitor-normally（）/*不发信号退出管程
{
V（mutex）;
}
voidleave-with-sigal（c）/*在条件c上发信号并退出管程，释放一个等待c条件的进程。
｛注意这时没有开放管程，因为刚刚被释放的进程己在管程中。
V（c）;
}
voidwait（c）/*等待条件c，开放管程
{
V（mutex）;
P（c）;
}
（2）用管程实现信号量。
TYPEsemaphore=monitor
VARS;condition;
C:
integer;
DEFINEP,V;
USEcheck,wait,signal,release;
procedureP
begin
check（IM）;
C:
=C-1:
ifC<0thenwait（S,IM）;
release（IM）;
end
procedureV
begin
check（IM）:
C:
=C+1;
ifC≤0thensignal（S,IM）;
release（IM）;
end
begin
C:
=初值;
End.
12证明消息传递与管程的功能是等价的：
（1）用消息传递实现管程；
（2）用管程实现消息传递。
答：
（1）用消息传递实现管程；
用消息传递可以实现信号量（见13
（2）），用信号量可以实现管程（见11
（1）），那么，把两种方法结合起来，就可以用用消息传递实现管程。
（2）用管程实现消息传递。
TYPEmailbox=monitor
VARr,k,count:
integer;
buffer：
array[0…n-1]ofmessage;
full,empty:
condition;
DEFINEadd,get;
USEcheck,wait,signal,release;
procedureadd（r）;
begin
check（IM）;
ifcount=nthenwait（full,IM）;
buffer[r]:
=message;
r:
＝（r+1）modn
count:
=count+1;
ifcount=1thensighal（empty,IM）;
release（IM）;
end
procedureget（m）;
begin
check（IM）;
ifcount=0thenwait（empty,IM）;
m:
=buffer[k」；
count:
=count-1;
ifcount＝n-1thensignal（full,IM）;
release（IM）;
end
begin
r:
=0;k:
=0;count:
=0;
end
13证明信号量与消息传递是等价的：
（1）用信号量实现消息传递；
（2）用消息传递实现信号量。
答：
（l）用信号量实现消息传递；
1）把消息队列组织成一个共享队列，用一个互斥信号量管理对该队列的入队操作和出队操作.
2）发送消息是一个入队操作，当队列存储区满时，设计一个同步信号量阻塞send操作。
3）接收消息是一个出队操作，当队列存储区空时，设计另一个同步信号量阻塞receive操作。
（2）用消息传递实现信号量。
l）为每一个信号量建
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