Linux进程间通信(IPC)编程实践（十）System V信号量---PV操作经典题目



//P原语
//P(semaphore *S)
wait(semaphore *S)
{
-- S->value;
if (S->value < 0)
{
//将当前进程设置为阻塞状态
//将当前进程的PCB插入相应的阻塞队列S->list末尾
block(S->list);
}
} [

//V原语
//V(semaphore *S)
signal(semaphore *S)
{
++ S->value;
if (S->value <= 0) //表示有进程处于阻塞状态
{
//唤醒阻塞队列S->list中等待的一个进程,将其置为就绪态;
//将其插入就绪队列;
wakeup (S->list);
}
} p操作（wait）：申请一个单位资源，进程进入

 

v操作（signal）：释放一个单位资源，进程出来

使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是：

（1）每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。

（2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。

（3）互斥信号量的初值一般为1。

在接下来的经典题目的分析中，我们可以 将P操作看作是判断型操作，也就是if；将V操作看作是通知型的操作，这样更容易写伪代码。

（一）生产者消费者问题

生产者一消费者问题(producer-consumerproblem)是指若干进程通过有限的共享缓冲区交换数据时的缓冲区资源使用问题。假设“生产者”进程不断向共享缓冲区写人数据(即生产数据)，而“消费者”进程不断从共享缓冲区读出数据(即消费数据)；共享缓冲区共有n个；任何时刻只能有一个进程可对共享缓冲区进行操作。所有生产者和消费者之间要协调，以完成对共享缓冲区的操作。

生产者进程结构：
do{
wait(empty) ;
wait(mutex) ;
 
add nextp to buffer
 
signal(mutex) ;
signal(full) ;
}while(1) ;
 
消费者进程结构：
do{
wait(full) ;
wait(mutex) ;


remove an item from buffer to nextp


signal(mutex) ;
signal(empty) ;
}while(1) ;

我们可把共享缓冲区中的n个缓冲块视为共享资源，生产者写人数据的缓冲块成为消费者可用资源，而消费者读出数据后的缓冲块成为生产者的可用资源。为此，可设置三个信号量：full、empty和mutex。其中：full表示有数据的缓冲块数目，初值是0；empty表示空的缓冲块数初值是n；mutex用于访问缓冲区时的互斥，初值是1。实际上，full和empty间存在如下关系：full + empty = N注意：这里每个进程中各个P操作的次序是重要的。各进程必须先检查自己对应的资源数在确信有可用资源后再申请对整个缓冲区的互斥操作；否则，先申请对整个缓冲区的互斥操后申请自己对应的缓冲块资源，就可能死锁。出现死锁的条件是，申请到对整个缓冲区的互斥操作后，才发现自己对应的缓冲块资源，这时已不可能放弃对整个缓冲区的占用。如果采用AND信号量集，相应的进入区和退出区都很简单。如生产者的进入区为Swait(empty，mutex)，退出区为Ssignal(full，mutex)。
 
（二）读者写者问题
 
读者—写者问题（Readers-Writers problem）也是一个经典的并发程序设计问题，是经常出现的一种同步问题。计算机系统中的数据（文件、记录）常被多个进程共享，但其中某些进程可能只要求读数据（称为读者Reader）；另一些进程则要求修改数据（称为写者Writer）。就共享数据而言，Reader和Writer是两组并发进程共享一组数据区，要求：
 
（1）允许多个读者同时执行读操作；
 
（2）不允许读者、写者同时操作；
 
（3）不允许多个写者同时操作。
 
我们使用读者优先策略解决：
 
int rc=0;  //用于记录当前的读者数量  
semaphore rc_mutex=1;//用于对共享变量rc 操作的互斥信号量  
semaphore write=1; //用于保证读者和写者互斥地访问的信号量  
 
void reader()
do{  
P(rc_mutex); //开始对rc共享变量进行互斥访问  
  rc ++; //来了一个读进程，读进程数加1  
if (rc==1)  P(write)；//如是第一个读进程，判断是否有写进程在临界区，  
//若有，读进程等待，若无，阻塞写进程  
V(rc_mutex); //结束对rc共享变量的互斥访问  
读文件；  
P(rc_mutex); //开始对rc共享变量的互斥访问  
  rc--;  //一个读进程读完，读进程数减1  
if (rc == 0)  V(write)；  //最后一个离开临界区的读进程需要判断是否有写进程//需要进入临界区，若有，唤醒一个写进程进临界区  
V(rc_mutex);//结束对rc共享变量的互斥访问  
} while(1)  
 
void writer() 
do{  
P(write); //无读进程，进入写进程；若有读进程，写进程等待  
写文件;  
V(write);//写进程完成；判断是否有读进程需要进入临界区，  
//若有，唤醒一个读进程进临界区  
 } while(1)  
 
读者优先的设计思想是读进程只要看到有其它读进程正在读，就可以继续进行读；写进程必须等待所有读进程都不读时才能写，即使写进程可能比一些读进程更早提出申请。该算法只要还有一个读者在活动，就允许后续的读者进来，该策略的结果是，如果有一个稳定的读者流存在，那么这些读者将在到达后被允许进入。而写者就始终被挂起，直到没有读者为止。
 
（三）哲学家就餐问题
 
假设有五位哲学家围坐在一张圆形餐桌旁，做以下两件事情之一：吃饭，或者思考。吃东西的时候，他们就停止思考，思考的时候也停止吃东西。每两个哲学家之间有一只餐叉。因为用一只餐叉很难吃饭，所以假设哲学家必须用两只餐叉吃东西, 而且他们只能使用自己左右手边的那两只餐叉。
[cpp] view plaincopy
void philosopher(int i) /*i：哲学家编号，从0 到4*/
{
 while (TRUE) {
  think( ); /*哲学家正在思考*/
  take_fork(i); /*取左侧的筷子*/
  take_fork((i+1) % N); /*取左侧筷子；％为取模运算*/
  eat( ); /*吃饭*/
  put_fork(i); /*把左侧筷子放回桌子*/
  put_fork((i+1) % N); /*把右侧筷子放回桌子*/
 }
}
 
分析：假如所有的哲学家都同时拿起左侧筷子，看到右侧筷子不可用，又都放下左侧筷子， 等一会儿，又同时拿起左侧筷子，如此这般，永远重复。对于这种情况，即所有的程序都在 无限期地运行，但是都无法取得任何进展，即出现饥饿，所有哲学家都吃不上饭。 
 
问题算法描述： 
 
规定在拿到左侧的筷子后，先检查右面的筷子是否可用。如果不可用，则先放下左侧筷子， 等一段时间再重复整个过程。 
 
分析：当出现以下情形，在某一个瞬间，所有的哲学家都同时启动这个算法，拿起左侧的筷子，而看到右侧筷子不可用，又都放下左侧筷子，等一会儿，又同时拿起左侧筷子……如此这样永远重复下去。对于这种情况，所有的程序都在运行，但却无法取得进展，即出现饥饿，所有的哲学家都吃不上饭。 
 
2) 描述一种没有人饿死（永远拿不到筷子）算法。 
 
考虑了四种实现的方式（A、B、C、D）：
 
 A：
 
原理：至多只允许四个哲学家同时进餐,以保证至少有一个哲学家能够进餐,最终总会释放出他所使用过的两支筷子,从而可使更多的哲学家进餐。以下将room 作为信号量，只允许4 个哲学家同时进入餐厅就餐，这样就能保证至少有一个哲学家可以就餐，而申请进入餐厅的哲学家进入room 的等待队列，根据FIFO 的原则，总会进入到餐厅就餐，因此不会出现饿死和死锁的现象。 
 
伪码： 
[cpp] view plaincopy
semaphore chopstick[5]={1，1，1，1，1};  
semaphore room=4;
void philosopher(int i)
{
 while(true)
 {
  think();
  wait(room); //请求进入房间进餐
  wait(chopstick[i]); //请求左手边的筷子
  wait(chopstick[(i+1)%5]); //请求右手边的筷子
  eat();
  signal(chopstick[(i+1)%5]); //释放右手边的筷子
  signal(chopstick[i]); //释放左手边的筷子
  signal(room); //退出房间释放信号量room
 }
}
 
B:
 
原理：仅当哲学家的左右两支筷子都可用时,才允许他拿起筷子进餐。
 
方法1：利用AND 型信号量机制实现：根据课程讲述，在一个原语中，将一段代码同时需要的多个临界资源，要么全部分配给它，要么一个都不分配，因此不会出现死锁的情形。当某些资源不够时阻塞调用进程;由于等待队列的存在，使得对资源的请求满足FIFO 的要求，因此不会出现饥饿的情形。
 
伪码：
semaphore chopstick[5]={1，1，1，1，1};
void philosopher(int I)
{
 while(true)
 {
  think();
  Swait(chopstick[(I+1)]%5,chopstick[I]);
  eat();
  Ssignal(chopstick[(I+1)]%5,chopstick[I]);
 }
}
 
 
方法2：利用信号量的保护机制实现。通过信号量mutex对eat（）之前的取左侧和右侧筷子的操作进行保护，使之成为一个原子操作，这样可以防止死锁的出现。
伪码：
semaphore mutex = 1 ;
semaphore chopstick[5]={1，1，1，1，1};
void philosopher(int I)
{
 while(true)
 {
  think();
  wait(mutex);
  wait(chopstick[(I+1)]%5);
  wait(chopstick[I]);
  signal(mutex);
  eat();
  signal(chopstick[(I+1)]%5);
  signal(chopstick[I]);
 }
} 
  
C:
 
原理：规定奇数号的哲学家先拿起他左边的筷子,然后再去拿他右边的筷子;而偶数号的哲学家则相反.按此规定,将是1,2号哲学家竞争1号筷子,3,4号哲学家竞争3号筷子.即五个哲学家都竞争奇数号筷子,获得后,再去竞争偶数号筷子,最后总会有一个哲学家能获得两支筷子而进餐。而申请不到的哲学家进入阻塞等待队列，根FIFO原则，则先申请的哲学家会较先可以吃饭，因此不会出现饿死的哲学家。
 
伪码：
semaphore chopstick[5]={1，1，1，1，1};
void philosopher(int i)
{
 while(true)
 {
  think();
  if(i%2 == 0) //偶数哲学家，先右后左。
  {
wait (chopstick[ i + 1 ] mod 5) ;
wait (chopstick[ i]) ;
eat();
signal (chopstick[ i + 1 ] mod 5) ;
signal (chopstick[ i]) ;
  }
  Else //奇数哲学家，先左后右。
  {
wait (chopstick[ i]) ;
wait (chopstick[ i + 1 ] mod 5) ;
eat();
signal (chopstick[ i]) ;
signal (chopstick[ i + 1 ] mod 5) ;
  }
 }
}  
 
D:
 
利用管程机制实现（最终该实现是失败的，见以下分析）：  
 
原理：不是对每只筷子设置信号量，而是对每个哲学家设置信号量。test()函数有以下作用：  
 
a. 如果当前处理的哲学家处于饥饿状态且两侧哲学家不在吃饭状态，则当前哲学家通过test()函数试图进入吃饭状态。
 
b. 如果通过test()进入吃饭状态不成功，那么当前哲学家就在该信号量阻塞等待，直到其他的哲学家进程通过test()将该哲学家的状态设置为EATING。
 
c. 当一个哲学家进程调用put_forks()放下筷子的时候，会通过test()测试它的邻居，如果邻居处于饥饿状态，且该邻居的邻居不在吃饭状态，则该邻居进入吃饭状态。  
 
由上所述,该算法不会出现死锁，因为一个哲学家只有在两个邻座都不在进餐时，才允许转换到进餐状态。  
 
该算法会出现某个哲学家适终无法吃饭的情况，即当该哲学家的左右两个哲学家交替处在吃饭的状态的时候，则该哲学家始终无法进入吃饭的状态，因此不满足题目的要求。
 
但是该算法能够实现对于任意多位哲学家的情况都能获得最大的并行度，因此具有重要的意义。
伪码：
#define N 5 /* 哲学家人数*/
#define LEFT (i-1+N)%N /* i的左邻号码 */
#define RIGHT (i+1)%N /* i的右邻号码 */
typedef enum { THINKING, HUNGRY, EATING } phil_state; /*哲学家状态*/
monitor dp /*管程*/
{
 phil_state state[N];
 semaphore mutex =1;
 semaphore s[N]; /*每个哲学家一个信号量，初始值为0*/
 void test(int i)
 {
  if ( state[i] == HUNGRY &&state[LEFT(i)] != EATING && state[RIGHT(i)] != EATING )
  {
state[i] = EATING;
V(s[i]);
  }
 }
 void get_forks(int i)
 {
  P(mutex);
  state[i] = HUNGRY;
  test(i); /*试图得到两支筷子*/
  V(mutex);
  P(s[i]); /*得不到筷子则阻塞*/
 }
 void put_forks(int i)
 {
  P(mutex);
  state[i]= THINKING;
  test(LEFT(i)); /*看左邻是否进餐*/
  test(RIGHT(i)); /*看右邻是否进餐*/
  V(mutex);
 }
}
  
  
哲学家进程如下：
void philosopher(int process)  
{
 while(true)
 {
  think();
  get_forks(process);
  eat();
  put_forks(process);
 }
}

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