【例1】生产者-消费者问题在多道程序环境下,进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题,而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题,深入地分析和透彻地理解这个例子,对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。
(1)一个生产者,一个消费者,公用一个缓冲区。定义两个同步信号量:empty——表示缓冲区是否为空,初值为1。 full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。生产者进程while(TRUE){ 生产一个产品; P(empty); 产品送往Buffer; V(full);}消费者进程while(True){ P(full); 从Buffer取出一个产品; V(empty); 消费该产品; }(2)一个生产者,一个消费者,公用n个环形缓冲区。定义两个同步信号量:empty——表示缓冲区是否为空,初值为n。full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。
设缓冲区的编号为1~n-1,定义两个指针in和out,分别是生产者进程和消费者进程使用的指,指向下一个可用的缓冲区。生产者进程while(TRUE){ 生产一个产品; P(empty); 产品送往buffer(in); in=(in+1)mod n; V(full);}消费者进程while(TRUE){ P(full); 从buffer(out)中取出产品; out=(out+1)mod n; V(empty); 消费该产品; }(3)一组生产者,一组消费者,公用n个环形缓冲区 在这个问题中,不仅生产者与消费者之间要同步,而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。定义四个信号量:empty——表示缓冲区是否为空,初值为n。full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。mutex1——生产者之间的互斥信号量,初值为1。mutex2——消费者之间的互斥信号量,初值为1。
设缓冲区的编号为1~n-1,定义两个指针in和out,分别是生产者进程和消费者进程使用的指针,指向下一个可用的缓冲区。生产者进程while(TRUE){ 生产一个产品; P(empty); P(mutex1); 产品送往buffer(in); in=(in+1)mod n; V(mutex1); V(full);}消费者进程while(TRUE){ P(full) P(mutex2); 从buffer(out)中取出产品; out=(out+1)mod n; V(mutex2); V(empty); 消费该产品; } 需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中,两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作,然后再执行互斥信号量的P操作,否则可能造成进程死锁。
【例2】桌上有一空盘,允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果,也可向盘中放桔子,儿子专等吃盘中的桔子,女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用,请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。
分析 在本题中,爸爸、儿子、女儿共用一个盘子,盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时,爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子,则允许儿子吃,女儿必须等待;若放入果盘中的是苹果,则允许女儿吃,儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里,生产者放入缓冲区的产品有两类,消费者也有两类,每类消费者只消费其中固定的一类产品。
解:在本题中,应设置三个信号量S、So、Sa,信号量S表示盘子是否为空,其初值为l;信号量So表示盘中是否有桔子,其初值为0;信号量Sa表示盘中是否有苹果,其初值为0。同步描述如下:int S=1;int Sa=0;int So=0; main() { cobegin father(); /*父亲进程*/ son(); /*儿子进程*/ daughter(); /*女儿进程*/ coend } father() { while(1) { P(S); 将水果放入盘中; if(放入的是桔子)V(So); else V(Sa); } } son() { while(1) { P(So); 从盘中取出桔子; V(S); 吃桔子; } } daughter() { while(1) { P(Sa); 从盘中取出苹果; V(S); 吃苹果; }} 思考题:
四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F,系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F,进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件,现用PV操作进行管理,请回答下面的问题: (1)应定义的信号量及初值: 。 (2)在下列的程序中填上适当的P、V操作,以保证它们能正确并发工作: A() B() C() D() { { { { [1]; [3]; [5]; [7]; read F; read F; read F; read F; [2]; [4]; [6]; [8]; } } } }
思考题解答:(1)定义二个信号量S1、S2,初值均为1,即:S1=1,S2=1。其中进程A和C使用信号量S1,进程B和D使用信号量S2。(2)从[1]到[8]分别为:P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)