习题解答第4章.docx
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习题解答第4章
习题解答
第四章并发进程的同步与互斥
1、进程间同步和互斥的含义是什么?
答：
同步：
并发进程之间存在的相互制约和相互依赖的关系。
互斥：
若干进程共享一资源时，任何时刻只允许一个进程使用。
2、用文字描述银行家算法的基本思想？
答：
银行家算法的基本思想是：
将系统中的所有资源比做银行家的资金，每进行
一次资源的分配，银行家都要从当前的资源分配情况出发，计算这种分配方案的
安全性，如果是安全的，则进行分配，否则选择其它可能的分配方案。
这样，每
次分配都计算安全性，从而可以避免死锁的发生。
3、简述死锁的防止与死锁的避免的区别。
答：
死锁的防止是系统预先确定一些资源分配策略，进程按规定申请资源，系统按预先规定的策略进行分配，从而防止死锁的发生。
而死锁的避免是当进程提出资源申请时系统测试资源分配，仅当能确保系统安全时才把资源分配给进程，使系统一直处于安全状态之中，从而避免死锁。
4、试说明资源的静态分配策略能防止死锁的原因。
答：
资源静态分配策略要求每个进程在开始执行前申请所需的全部资源，仅在系统为之分配了所需的全部资源后，该进程才开始执行。
这样，进程在执行过程中不再申请资源，从而破坏了死锁的四个必要条件之一“占有并等待条件”，从而防止死锁的发生。
5、有三个进程P1，P2和P3并发工作。
进程P1需用资源S3和S1；进程P2需用资源S1和S2；进程P3需用资源S2和S3。
回答：
（1）若对资源分配不加限制，会发生什么情况?
为什么?
（2）为保证进程正确工作，应采用怎样的资源分配策略?
为什么?
答：
.
（1）可能会发生死锁
例如：
进程P1，P2和P3分别获得资源S3，S1和S2后再继续申请资源时都要等待（2分），这是循环等待。
（或进程在等待新源时均不释放已占资源）
（2）可有几种答案：
A.采用静态分配 由于执行前已获得所需的全部资源，故不会出现占有资源又等待别的资源的现象（或不会出现循环等待资源现象）。
或B.采用按序分配 不会出现循环等待资源现象。
或C.采用银行家算法 因为在分配时，保证了系统处于安全状态。
６、某车站售票厅，任何时刻最多可容纳20名购票者进入，当售票厅中少于20名购票者时，则厅外的购票者可立即进入，否则需在外面等待。
若把一个购票者看作一个进程，请回答下列问题：
（1）用PV操作管理这些并发进程时，应怎样定义信号量，写出信号量的初值以及信号量各种取值的含义。
（2）根据所定义的信号量，把应执行的PV操作填入适当，以保证进程能够正确地并发执行。
COBEGIN PROCESS PI（I=1，2，……）
begin ；
进入售票厅；
购票；
退出；
end；
COEND
（3）若欲购票者最多为n个人，写出信号量可能的变化范围（最大值和最小值）。
答：
.
（1）定义一信号量S，初始值为20。
意义：
S>0 S的值表示可继续进入售 票厅的人数
S=0 表示售票厅中已有20名顾 客（购票者）
S<0 |S|的值为等待进入售票 厅的人数
（2）P（S）
进入售票厅；
购票；
退出；
V（S）
（3）S的最大值为20
S的最小值为20－n
注：
信号量的符号可不同（如写成t），但使用时应一致（即上述的s全应改成t）。
７、假定系统有三个并发进程read,move和print共享缓冲器B1和B2。
进程read负责从输入设备上读信息，每读出一个记录后把它存放到缓冲器B1中。
进程move从缓冲器B1中取出一记录，加工后存入缓冲器B2。
进程print将B2中的记录取出打印输出。
缓冲器B1和B2每次只能存放一个记录。
要求三个进程协调完成任务，使打印出来的与读入的记录的个数，次序完全一样。
请用PV操作，写出它们的并发程序。
答：
beginSR,SM1,SM2,SP:
semaphore;
B1,B2:
record;
SR:
=1;SM1:
=0;SM2:
=1;SP:
=0
cobegin
processread
X:
record;
beginR:
（接收来自输入设备上一个记录）
X:
=接收的一个记录；
P（SR）；
B1:
=X;
V（SM1）;
gotoR;
end;
Processmove
Y:
record;
begin
M:
P（SM1）;
Y:
=B1;
V（SR）
加工Y
P（SM2）；
B2:
=Y;
V（SP）;
gotoM;
end;
Processprint
Z:
record;
begin
P:
P（SP）;
Z:
=B2;
V（SM2）
打印Z
gotoP;
end;
coend;
end;
８、某系统中有10台打印机，有三个进程P1，P2，P3分别需要8台，7台和4台。
若P1，P2，P3已申请到4台，2台和2台。
试问：
按银行家算法能安全分配吗？
请说明分配过程。
答：
系统能为进程P3分配二台打印机。
因为尽管此时10台打印机已分配给进程P14台，P22台和P34台，全部分配完，但P3已分配到所需要的全部4台打印机，它不会对打印机再提出申请，所以它能顺利运行下去，能释放占用的4台打印机，使进程P1，P2均可能获得乘余的要求4台和5台，按银行家算法是安全的。
９、有两个用户进程A和B，在运行过程中都要使用系统中的一台打印机输出计算结果。
（1） 试说明A、B两进程之间存在什么样的制约关系？
（2） 为保证这两个进程能正确地打印出各自的结果，请用信号量和P、V操作写出各自的有关申请、使用打印机的代码。
要求给出信号量的含义和初值。
答：
（1）A、B两进程之间存在互斥的制约关系。
因为打印机属于临界资源，必须一个进程使用完之后另一个进程才能使用。
（2）mutex：
用于互斥的信号量，初值为1。
进程A进程B
......
......
P（mutex）P（mutex）
申请打印机申请打印机
使用打印机使用打印机
V（mutex）V（mutex）
试以生产者—消费者问题说明进程同步问题的实质。
答：
一个生产者，一个消费者和一个产品之间关系是典型的进程同步问题。
设信号量S为仓库内产品，P-V操作配对进行缺一不可。
生产者进程将产品放人仓库后通知消费者可用；消费者进程在得知仓库有产品时取走，然后告诉生产者可继续生产。
１０、请描述产生死锁的四个必要条件。
答：
互斥使用（资源独占）一个资源每次只能给一个进程使用
不可强占（不可剥夺）资源申请者不能强行的从资源占有者手中夺取资源，资源只能由占有者自愿释放
请求和保持（部分分配，占有申请）－一个进程在申请新的资源的同时保持对原有资源的占有（只有这样才是动态申请，动态分配）
循环等待－存在一个进程等待队列{P1,P2,…,Pn},其中P1等待P2占有的资源，P2等待P3占有的资源，…，Pn等待P1占有的资源，形成一个进程等待环路
１１、两个并发执行的进程A和B的程序如下：
进程A
Repeat
N=N+5;
Untilfalse;
进程B
Repeat
打印N的值；
N=0；
Untilfalse;
其中N为整数，初值为4。
若进程A先执行了三个循环后，进程A和进程B又并发执行了一个循环，写出可能出现的打印值。
正确的打印值应该是多少？
请用P、V操作进行管理，使进程A和B并发执行时不会出现与时间有关的错误。
答：
因为N初值为4，若进程A先执行了三个循环，此时N的值为19。
当进程A和进程B并发执行时可能会有如下两种执行次序，即进程A先执行一次循环，然后再进程B执行一次循环，此时打印的是正确值24，执行后N中的值为0。
但若进程B先执行一次循环，然后再进程A执行一次循环，则打印的值是19，执行后N中的值是5。
这是错误的，即发生了与时间有关的错误。
用P、V操作进行管理，使进程A和B并发时不会出现与时间有关的错误的程序如下：
（S为互斥信号量，初值为1），
进程A
Repeat
P（S）;
N=N+5;
V（S）;
Untilfalse;
进程B
Repeat
P（S）;
打印N的值；
N=0；
V（S）;
Untilfalse;
１２、四个进程P0，P1,P2,P3和四个信箱M0,M1,M2,M3进程间借助相邻的信箱传递消息：
每次从中取出一条消息，经加工送入中。
其中M0,M1,M2,M3分别设有3,3,2,2个格子，每个格子放一条消息，初始时，M0装满了三条消息，其余为空。
写出使用信号量实现进程（i=0,1,2,3）同步及互斥的流程。
答：
mutex0~mutex3:
分别用于控制互斥访问M0~M3，初值为1。
full0~full3:
分别用于控制同步访问M0~M3,其中full0初值为3，full1~full3初值为0，表示信箱中消息条数。
empty0~empty3:
分别用于同步控制对M0~M3的访问。
Empty0初值为0，empty2~empty3初值为2，empty1初值为3，分别用于表示信箱中空格子个数。
另用send（Mi,message）表示将消息送到（Mimod4）号信箱中；而用receive（Mi，message）表示接收已存在于（Mimod4）中的消息。
则使用信号量实现进程Pi（i=0,1,2,3）同步及互斥的流程如下：
mutex0,mutex1,mutex2,mutex3:
semaphore;
full0,full1,full2,full3:
semaphore;
empty0,empty1,empty2,empty3:
semaphore;
begin
mutex0:
=1; mutex1:
=1; mutex2:
=1; mutex:
=1;
full0:
=3; full1:
=0; full2:
=0; full3:
=0;
empty0:
=0; empty1:
=3; empty2:
=2; empty3:
=2;
Parbegin
P0：
begin
repeat
P（mutex0）;
P（full0）;
Receive（M0,message）;
V（empty0）;
Processingthemessageuntilfinished;
P（mutex1）;
P（empty1）;
Send（M1,message）;
V（full1）;
V（mutex1）;
Untilfalse;
…
end;
P1：
｛可类似于P0实现之｝;
P2：
｛可类似于P0实现之｝;
P3：
｛可类似于P0实现之｝;
Parend;
End;
１３、设系统中仅有一类数量为M的独占型资源，系统中N个进程竞争该类资源，其中各进程对该类资源的最大需求量为W。
当M、N、W分别取下列值时，试判断哪些情况会发生死锁？
为什么？
① M=2，N=2，W=1 ②M=3，N=2，W=2 ③M=3，N=2，W=3
④M=5，N=3，W=2⑤M=6，N=3，W=3
答：
③可能会发生死锁。
只要一个进程占用了少于3个独占型资源而另一个进程占用了其余的独占型资源，两个进程都会相互处于等待对方进程释放资源的状态。
⑤也可能会发生死锁。
当每个进程都分配了两个资源时，3个进程都会彼此等待。
１４、假定具有5个进程的进程集合P＝｛P0,P1,P2,P3,P4｝,系统中有三类资源A，B和C。
其中A类资源有10个，B类资源有5个，C类资源有7个。
假定在某时刻有如下状态：
Allocation Max Available
A B C A B C A B C
P0 0 1 0 7 5 3 3 3 2
P1 2 0 0 3 2 2
P2 3 0 2 9 0 2
P3 2 1 1 2 2 2
P4 0 0 2 4 3 3
试给出Need，并说明当前系统是否处于安全状态，如果是，给出安全序列。
如果不是，说明理由。
答：
当前系统处于安全状态，安全序列如下求解：
work=Available=（3,3,2）
寻找 Needj<= work = （3,3,2）（ j =0,1,2,3,4）
j=1 Need1=（1,2,2）<= （3,3,2）
work:
= （3,3,2）+（2,0,0）= （5,3,2）
寻找 Needj<= work = （5,3,2）（ j =0,2,3,4）
j=3 Need3=（0,1,1）<= （5,3,2）
work:
= （5,3,2）+（2,1,1）=（7,4,3）
寻找 Needj<= work = （7,4,3）（j=0,2 ,4）
j=4 Need4=（4,3,1）<= （7,4,3）
work:
= （7,4,3）+（0,0,2）=（7,4,5）
寻找 Needj<= work = （7,4,5）（j=0,2）
j=2 Need2= （6,0,0）<= （7,4,5）
work:
= （7,4,5）+（3,0,2）= （10,4,7）
寻找 Needj<= work = （10,4,7）（j=0）
j=0 work:
= （10,4,7）+（0,1,0）=（10,5,7）
所以安全序列为＜P1，P3，P4，P2，P0＞（不止一个）。
例如：
＜P1，P3，（P4，P2，P0）＞、＜P1，P4，（P4，P2，P3）＞、＜P3，P1，（P4，P2，P0）＞
１５、有一阅览室，读者进入时必须先在一张登记表上登记。
该表中每个表项代表阅览室中的一个座位。
读者离开时要消掉其登记信息。
阅览室共有50个座位。
登记表每次仅允许一位读者进行登记或注销。
读者登记时，发现登记表满，他在阅览室外等待，直至有空位再登记进入。
试用类Pascal语言和P、V操作，描述读者行为。
答：
Begin{initialvalueofSis50}
Parbegin
Begin{register}
P（S）;
Registerandenterintothereadingroom;
End;
Begin{leaveoff}
Registeroffandleave;
V（S）;
End;
End;
１６、考虑一个共有150个存储单元的系统，如下分配给三个进程，P1最大需求70,己占有25；P2最大需求60,己占有40；P3最大需求60,己占有45。
使用银行家算法，以确定下面的任何一个请求是否安全。
（1）P4进程到达，P4最大需求60,最初请求25个。
（2）P4进程到达，P4最大需求60,最初请求35。
如果安全，找出所有的安全序列；如果不安全，给出结果分配情况。
答：
（1）由于系统目前还有150-25-40-45=40个单元，P4进程到达，把25个单元分给它。
这时系统还余15个单元，可把15个单元分给P3，它执行完后会释放60个单元。
于是可供P1（还要45个单元），P2（还要20个单元），P4（还要35个单元）任何一个执行。
安全序列为：
P1，P2，P3，P4，P3，P1，P2，P4
P1，P2，P3，P4，P3，P1，P4，P2
P1，P2，P3，P4，P3，P2，P1，P4
P1，P2，P3，P4，P3，P2，P4，P1
P1，P2，P3，P4，P3，P4，P1，P2
P1，P2，P3，P4，P3，P4，P2，P1
（2）P4进程到达，P4最大需求60,最初请求35。
如果把35个单元分给P4，系统还余5个单元，不再能满足任何一个进程的需求，系统进入不安全状态。
１７、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：
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:
=1;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.
１８、系统有A、B、C、D共4种资源，在某时刻进程P0、P1、P2、P3和P4对资源的占有和需求情况如表，试解答下列问题：
Process
Allocation
Claim
Available
ABCD
ABCD
ABCD
P0
0032
0044
1622
P1
1000
2750
P2
1354
361010
P3
0332
0984
P4
0014
06610
（1）系统此时处于安全状态吗？
为什么？
（2）若此时P2发出request1（1、2、2、2），系统能分配资源给它吗？
为什么？
答：
（1）系统处于安全状态，存在安全序列：
P0，P3，P4，P1，P2
P0，P3，P1，P4，P2
P0，P3，P1，P2，P4
（2）不能分配，否则系统会处于不安全状态。
１９、假设有32个存储区域，其编号为0，1，…，31，用一个32位的标志字，位号也是0，1，…31，分别描述32个存储区域使用状态：
当某一位为1时，表示对应存储区域已分配，若为0，表示对应存储区域空闲。
get进程：
负责存储区域分配，每次分配一个区域，找出标志字某为0的位置成1。
put进程：
负责存储区域回收，把回收存储区域标志字对应位清成0。
要求：
（1）分析get进程与put进程的具体同步关系。
答：
get进程分配完32.个存储区域后，再执行分配时必须等待put进程回收区域，而put进程无须等待分配进程get;get与put共享32位的标志字，它们必须互斥访问
（2）采用PV操作同步工具，写出get进程与put进程的同步算法（可用流程图描述，但信号量名称、作用、初值必须说明。
）
答：
mutex是互斥信号量，初值是1，对32位标志字进行保护;
S是标志字的同步信号量，初值为32，表示系统开始时32个区域均空闲，可供分配。
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