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1、進(jìn)程同步與互斥進(jìn)程同步與互斥 例題 進(jìn)程互斥 進(jìn)程互斥進(jìn)程互斥: 并發(fā)進(jìn)程之間相互競(jìng)爭(zhēng)臨界資源的排他性關(guān)系。并發(fā)進(jìn)程之間相互競(jìng)爭(zhēng)臨界資源的排他性關(guān)系。 解題步驟解題步驟: n 確定臨界資源及確定臨界資源及個(gè)數(shù)個(gè)數(shù); n 確定進(jìn)程的確定進(jìn)程的關(guān)鍵工作步關(guān)鍵工作步(使用臨界資源的);(使用臨界資源的); n 確定信號(hào)量的初值確定信號(hào)量的初值(臨界資源的個(gè)數(shù)臨界資源的個(gè)數(shù)); n 寫出寫出偽代碼偽代碼。 使用使用P(wait)操作和操作和V(signal)操作對(duì)進(jìn)程互斥進(jìn)操作對(duì)進(jìn)程互斥進(jìn) 行控制。行控制。 例例1:過獨(dú)木橋。:過獨(dú)木橋。 進(jìn)程的互斥進(jìn)程的互斥 P1 P2 由西向東過獨(dú)木橋;由西向東過
2、獨(dú)木橋; 由東向西過獨(dú)木橋;由東向西過獨(dú)木橋; P1 P2 分析分析:進(jìn)程:進(jìn)程P1、P2因競(jìng)爭(zhēng)獨(dú)木橋這個(gè)資源而成為互斥關(guān)系。因競(jìng)爭(zhēng)獨(dú)木橋這個(gè)資源而成為互斥關(guān)系。 設(shè)設(shè):信號(hào)量:信號(hào)量m表示獨(dú)木橋資源,初值為表示獨(dú)木橋資源,初值為1表示資源可用。表示資源可用。 int m=1; cobegin p1() / p2() coend 進(jìn)程的互斥進(jìn)程的互斥 練習(xí)練習(xí):過十字路口(單道)。:過十字路口(單道)。 進(jìn)程的互斥進(jìn)程的互斥 P1 P2 P3 P4 通過路口;通過路口; 通過路口;通過路口; 通過路口;通過路口; 通過路口;通過路口; P2 P3 P4 P1 分析分析:進(jìn)程:進(jìn)程P1、P2、P
3、3、P4因競(jìng)爭(zhēng)十字路口這個(gè)資源而成因競(jìng)爭(zhēng)十字路口這個(gè)資源而成 為互斥關(guān)系。為互斥關(guān)系。 設(shè)設(shè):信號(hào)量:信號(hào)量m表示十字路口資源,初值為表示十字路口資源,初值為1表示資源可用。表示資源可用。 int m=1; cobegin p1() / p2() /p3() / p4() coend 進(jìn)程的互斥進(jìn)程的互斥 有一個(gè)閱覽室,共有有一個(gè)閱覽室,共有100100個(gè)座位。讀者進(jìn)入閱覽室個(gè)座位。讀者進(jìn)入閱覽室 時(shí)必須在入口處進(jìn)行登記;離開閱覽室時(shí)必須進(jìn)時(shí)必須在入口處進(jìn)行登記;離開閱覽室時(shí)必須進(jìn) 行注銷。試用行注銷。試用PVPV操作描述讀者進(jìn)入操作描述讀者進(jìn)入/ /離開閱覽室的離開閱覽室的 同步與互斥關(guān)系同
4、步與互斥關(guān)系。 ReaderReader進(jìn)程進(jìn)程 登記登記 進(jìn)入閱覽室進(jìn)入閱覽室 讀書讀書 離開閱覽室離開閱覽室 注銷注銷 進(jìn)程的互斥進(jìn)程的互斥 分析:分析: 在入口和出口處讀者應(yīng)該在入口和出口處讀者應(yīng)該互斥互斥進(jìn)行登記和注銷,進(jìn)行登記和注銷, 100100個(gè)座位,個(gè)座位,100100個(gè)個(gè)互斥互斥資源資源 設(shè)置信號(hào)量設(shè)置信號(hào)量 教室內(nèi)空座位數(shù)量,教室內(nèi)空座位數(shù)量,seatseat,初值,初值100100 為入口處進(jìn)行登記設(shè)置互斥信號(hào)量為入口處進(jìn)行登記設(shè)置互斥信號(hào)量SinSin,初值,初值 1 1,表示,表示 當(dāng)前可用當(dāng)前可用 為出口處進(jìn)行注銷設(shè)置互斥信號(hào)量為出口處進(jìn)行注銷設(shè)置互斥信號(hào)量Sout
5、Sout,初值,初值 1 1,表,表 示當(dāng)前可用示當(dāng)前可用 begin Sin, Sout, seat:semaphore; seat :=100; Sin := 1; Sout := 1; cobegin process Reader-i ( i = 1,2,n ); begin P(seat); P(Sin); 登記登記; V(Sin); 進(jìn)入閱覽室進(jìn)入閱覽室; 讀書讀書; 離開閱覽室離開閱覽室; P(Sout); 注銷注銷; V(Sout); V(seat); end coend; end; 問題 若有一售票廳只能容納300人,當(dāng)少于300 人時(shí),可以進(jìn)入。否則,需在外等候, 若將每一個(gè)
6、購(gòu)票者作為一個(gè)進(jìn)程,請(qǐng)用P、 V操作編程。 例例2:讀寫數(shù)據(jù)庫(kù):讀寫數(shù)據(jù)庫(kù)。某數(shù)據(jù)庫(kù)有一個(gè)寫進(jìn)程、多個(gè)讀進(jìn)程,它們之間某數(shù)據(jù)庫(kù)有一個(gè)寫進(jìn)程、多個(gè)讀進(jìn)程,它們之間 讀、寫操作的互斥要求是:寫進(jìn)程運(yùn)行時(shí),其他讀、寫進(jìn)程不能對(duì)數(shù)讀、寫操作的互斥要求是:寫進(jìn)程運(yùn)行時(shí),其他讀、寫進(jìn)程不能對(duì)數(shù) 據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作。讀進(jìn)程之間不互斥,可以同時(shí)讀數(shù)據(jù)庫(kù)。請(qǐng)用信號(hào)量據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作。讀進(jìn)程之間不互斥,可以同時(shí)讀數(shù)據(jù)庫(kù)。請(qǐng)用信號(hào)量 及及PV操作描述這一組進(jìn)程的工作過程。(操作描述這一組進(jìn)程的工作過程。(讀者讀者-寫者問題寫者問題) 進(jìn)程的互斥進(jìn)程的互斥 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù) 寫寫 者者 讀讀 者者 寫者寫者 讀者讀者 寫數(shù)據(jù)庫(kù);寫
7、數(shù)據(jù)庫(kù); 讀數(shù)據(jù)庫(kù);讀數(shù)據(jù)庫(kù); 分析分析:寫進(jìn)程寫進(jìn)程writer、讀進(jìn)程、讀進(jìn)程reader因競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)庫(kù)這個(gè)資源因競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)庫(kù)這個(gè)資源 而成為互斥關(guān)系。因?yàn)閷戇M(jìn)程執(zhí)行時(shí),不能執(zhí)行其他讀寫而成為互斥關(guān)系。因?yàn)閷戇M(jìn)程執(zhí)行時(shí),不能執(zhí)行其他讀寫 進(jìn)程,所以還必須設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)讀進(jìn)程的個(gè)數(shù)。如進(jìn)程,所以還必須設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)讀進(jìn)程的個(gè)數(shù)。如 果是第一個(gè)讀進(jìn)程,就與寫進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)庫(kù)。如果是最后果是第一個(gè)讀進(jìn)程,就與寫進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)庫(kù)。如果是最后 一個(gè)讀進(jìn)程,就釋放數(shù)據(jù)庫(kù)。因計(jì)數(shù)器是一個(gè)臨界資源,一個(gè)讀進(jìn)程,就釋放數(shù)據(jù)庫(kù)。因計(jì)數(shù)器是一個(gè)臨界資源, 所以多個(gè)讀進(jìn)程對(duì)計(jì)數(shù)器的操作又是互斥操作。所以多個(gè)讀進(jìn)程
8、對(duì)計(jì)數(shù)器的操作又是互斥操作。 設(shè)設(shè):信號(hào)量信號(hào)量rmutex表示數(shù)據(jù)庫(kù)資源,初值為表示數(shù)據(jù)庫(kù)資源,初值為1表示資源可用;表示資源可用; wmutex表示計(jì)數(shù)器表示計(jì)數(shù)器count資源,初值為資源,初值為1表示可用。表示可用。 int rmutex=1,wmutex=1; cobegin reader() / writer() coend 進(jìn)程的互斥進(jìn)程的互斥 小結(jié)小結(jié) n 進(jìn)程互斥:進(jìn)程之間要競(jìng)爭(zhēng)臨界資源。進(jìn)程互斥:進(jìn)程之間要競(jìng)爭(zhēng)臨界資源。 n 信號(hào)量表示臨界資源是否可用,或臨界資源信號(hào)量表示臨界資源是否可用,或臨界資源 的數(shù)量。的數(shù)量。 n 信號(hào)量的個(gè)數(shù)與臨界資源的個(gè)數(shù)一致。信號(hào)量的個(gè)數(shù)與臨
9、界資源的個(gè)數(shù)一致。 n 對(duì)同一個(gè)信號(hào)量的對(duì)同一個(gè)信號(hào)量的PV操作要在同一個(gè)進(jìn)程中操作要在同一個(gè)進(jìn)程中 完成。完成。 P操作:進(jìn)入臨界區(qū)前操作:進(jìn)入臨界區(qū)前 1. V操作:離開臨界區(qū)后操作:離開臨界區(qū)后 進(jìn)程的互斥進(jìn)程的互斥 進(jìn)程同步 進(jìn)程同步進(jìn)程同步: 并發(fā)進(jìn)程之間相互合作,完成一項(xiàng)工作,它們之并發(fā)進(jìn)程之間相互合作,完成一項(xiàng)工作,它們之 間有一定的時(shí)序關(guān)系。間有一定的時(shí)序關(guān)系。 解題步驟解題步驟: n確定進(jìn)程的確定進(jìn)程的個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)及每個(gè)進(jìn)程的及每個(gè)進(jìn)程的工作工作; n確定確定關(guān)鍵工作步關(guān)鍵工作步(需要控制的);(需要控制的); n確定信號(hào)量表示的確定信號(hào)量表示的含義,含義,當(dāng)信號(hào)量的值為當(dāng)信號(hào)量
10、的值為0時(shí),表時(shí),表 示期望的消息尚未產(chǎn)生;當(dāng)信號(hào)量的值非示期望的消息尚未產(chǎn)生;當(dāng)信號(hào)量的值非0時(shí),表時(shí),表 示期望的消息已經(jīng)存在。示期望的消息已經(jīng)存在。 1.寫出寫出偽代碼偽代碼。在同步關(guān)系的控制中,同一信號(hào)量。在同步關(guān)系的控制中,同一信號(hào)量 的的P(wait)、V(signal)操作成對(duì)出現(xiàn),但它們分別操作成對(duì)出現(xiàn),但它們分別 在不同的進(jìn)程代碼中。在不同的進(jìn)程代碼中。 例例1:假設(shè)有三個(gè)并發(fā)進(jìn)程假設(shè)有三個(gè)并發(fā)進(jìn)程P,Q,R,其中,其中P負(fù)責(zé)從輸入設(shè)負(fù)責(zé)從輸入設(shè) 備上讀入信息并傳送給備上讀入信息并傳送給Q,Q將信息加工后傳送給將信息加工后傳送給R,R則負(fù)則負(fù) 責(zé)將信息打印輸出。進(jìn)程責(zé)將信息打
11、印輸出。進(jìn)程P、Q共享一個(gè)緩沖區(qū),進(jìn)程共享一個(gè)緩沖區(qū),進(jìn)程Q、R 共享另一個(gè)緩沖區(qū)。共享另一個(gè)緩沖區(qū)。 進(jìn)程的同步進(jìn)程的同步 3個(gè)進(jìn)程P、Q、R P進(jìn)程: 從輸入設(shè)備上讀入信息 將信息放入緩沖區(qū)1 Q進(jìn)程: 從緩沖區(qū)1取出信息 將信息放入緩沖區(qū)2中 R進(jìn)程: 從緩沖區(qū)2取出信息 將信息打印輸出 確定進(jìn)程的同步、互斥關(guān)系確定進(jìn)程的同步、互斥關(guān)系 同步:P當(dāng)緩存區(qū)1無數(shù)據(jù)時(shí),才可以向緩沖區(qū)1寫入信息 同步:Q當(dāng)緩存區(qū)1有數(shù)據(jù)時(shí),才可以從緩沖區(qū)1讀取信息 同步:Q當(dāng)緩存區(qū)2無數(shù)據(jù)時(shí),才可以向緩沖區(qū)2寫入信息 同步:R當(dāng)緩存區(qū)2有數(shù)據(jù)時(shí),才可以從緩沖區(qū)2讀取信息 設(shè)置信號(hào)量設(shè)置信號(hào)量 緩存區(qū)1無數(shù)據(jù),
12、empty1,初值1 緩存區(qū)1有數(shù)據(jù),full1,初值0 緩存區(qū)2無數(shù)據(jù),empty2,初值1 緩存區(qū)2有數(shù)據(jù),full2,初值0 process P ( ) while(1) 從輸入設(shè)備上讀入信息從輸入設(shè)備上讀入信息; P(empty1); 將信息放入緩沖區(qū)將信息放入緩沖區(qū)1; V(full1); process Q ( ) while(1) P(full1); 從緩沖區(qū)從緩沖區(qū)1取出信息取出信息; V(empty1); P(empty2); 將信息放入緩沖區(qū)將信息放入緩沖區(qū)2; V(full2); process R ( ) while(1) P(full2); 從緩沖區(qū)從緩沖區(qū)2取出信息
13、取出信息; V(empty2); 將信息打印輸出將信息打印輸出 ; 進(jìn)程的同步進(jìn)程的同步 例例2 2:公共汽車中的司機(jī)和售票員。:公共汽車中的司機(jī)和售票員。 司機(jī)司機(jī) P1 P1 售票員售票員 P2P2 while (true) while (true) while (true) while (true) 啟動(dòng)車輛啟動(dòng)車輛; 關(guān)門關(guān)門; 正常運(yùn)行;正常運(yùn)行; 售票;售票; 到站停車到站停車; 開門開門; 解法解法:信號(hào)量表示進(jìn)程能否開始。:信號(hào)量表示進(jìn)程能否開始。 設(shè)信號(hào)量設(shè)信號(hào)量m1表示司機(jī)進(jìn)程表示司機(jī)進(jìn)程P1能否啟動(dòng)汽車,初值為能否啟動(dòng)汽車,初值為0, m2表示售票員進(jìn)程表示售票員進(jìn)程p2
14、能否開門,初值為能否開門,初值為0。 int m1=0,m20 ; cobegin p1() / p2() coend 進(jìn)程的同步進(jìn)程的同步 進(jìn)程的同步進(jìn)程的同步 例例3-23-2:吃水果。:吃水果。 父親父親 P1 P1 兒子兒子 P2 P2 女兒女兒 P3P3 while (true) while (true) while(true) while (true) while (true) while(true) 洗水果;洗水果; 取桔子取桔子; 取蘋果取蘋果; 放水果放水果; 吃桔子;吃桔子; 吃蘋果;吃蘋果; 桔子桔子 父親父親 兒子兒子 女兒女兒 0蘋果蘋果 分析分析:父親先放水果,兒子
15、女兒再吃水果;兒子女兒取完水:父親先放水果,兒子女兒再吃水果;兒子女兒取完水 果,父親再放水果,這三個(gè)進(jìn)程是一個(gè)同步關(guān)系。果,父親再放水果,這三個(gè)進(jìn)程是一個(gè)同步關(guān)系。 解法:解法:設(shè)信號(hào)量設(shè)信號(hào)量m1表示父親能否放水果,表示父親能否放水果,m2表示兒子能否表示兒子能否 取桔子,取桔子,m3表示女兒能否取蘋果。表示女兒能否取蘋果。 int m1=1,m2=0,m3=0; cobegin p1() / p2() / p3() coend 進(jìn)程的同步進(jìn)程的同步 進(jìn)程的同步進(jìn)程的同步 例例3-33-3:吃水果。:吃水果。 父親父親 P1 P1 母親母親 P2 P2 兒子兒子 P3P3 while (t
16、rue) while (true) while(true) while (true) while (true) while(true) 洗桔子;洗桔子; 洗蘋果;洗蘋果; 取水果取水果; 放桔子放桔子; 放蘋果;放蘋果; 吃水果;吃水果; 0 父親父親 兒子兒子 母親母親 桔子桔子蘋果蘋果 分析分析:父母親先放水果,兒子再取水果吃;父親與兒子,母:父母親先放水果,兒子再取水果吃;父親與兒子,母 親與兒子是一個(gè)同步關(guān)系,父親與母親要競(jìng)爭(zhēng)空盤子。親與兒子是一個(gè)同步關(guān)系,父親與母親要競(jìng)爭(zhēng)空盤子。 解法:解法:設(shè)信號(hào)量設(shè)信號(hào)量m1表示是否有空盤子,信號(hào)量表示是否有空盤子,信號(hào)量m2表示兒子表示兒子 能
17、否取水果。能否取水果。 int m1=1,m2=0; cobegin p1() / p2() / p3() coend 進(jìn)程的同步進(jìn)程的同步 0 進(jìn)程的同步進(jìn)程的同步 例例3-43-4:吃水果。:吃水果。 父親父親 P1 P1 母親母親 P2 P2 兒子兒子 P3P3 女兒女兒P4P4 while(true) while (true) while(true) while(true)while(true) while (true) while(true) while(true) 洗桔子;洗桔子; 洗蘋果;洗蘋果; 取蘋果取蘋果; 取桔子;取桔子; 放桔子放桔子; 放蘋果;放蘋果; 吃蘋果;吃蘋果
18、; 吃桔子;吃桔子; 桔子桔子 父親父親 女兒女兒 母親母親 蘋果蘋果 兒子兒子 分析分析:父母親先放水果,兒子女兒再取水果;父親與女兒,:父母親先放水果,兒子女兒再取水果;父親與女兒, 母親與兒子是一個(gè)同步關(guān)系,父親與母親要競(jìng)爭(zhēng)空盤子。母親與兒子是一個(gè)同步關(guān)系,父親與母親要競(jìng)爭(zhēng)空盤子。 解法一:解法一:設(shè)信號(hào)量設(shè)信號(hào)量m1表示是否有空盤子,信號(hào)量表示是否有空盤子,信號(hào)量m2表示兒表示兒 子能否取蘋果,子能否取蘋果,m3表示女兒能否取桔子。表示女兒能否取桔子。 int m1=1,m2=0,m3=0; cobegin p1() / p2() / p3() / p4() coend 進(jìn)程的同步進(jìn)程
19、的同步 問題 有一只鐵籠子,每次只能放入一只動(dòng)物,獵手有一只鐵籠子,每次只能放入一只動(dòng)物,獵手 向籠中放入老虎,農(nóng)民向籠中放入豬,動(dòng)物園向籠中放入老虎,農(nóng)民向籠中放入豬,動(dòng)物園 等待取籠中的老虎,飯店等待取籠中的豬,試等待取籠中的老虎,飯店等待取籠中的豬,試 用用P、V操作寫出能同步執(zhí)行的程序。操作寫出能同步執(zhí)行的程序。 例例4 4。設(shè)有六個(gè)進(jìn)程設(shè)有六個(gè)進(jìn)程P1P1、P2P2、P3P3、P4P4、P5P5、P6P6,它,它 們并發(fā)執(zhí)行。由們并發(fā)執(zhí)行。由P1P1開始執(zhí)行,開始執(zhí)行,P6P6執(zhí)行后結(jié)束。當(dāng)進(jìn)執(zhí)行后結(jié)束。當(dāng)進(jìn) 程程P1P1執(zhí)行后,進(jìn)程執(zhí)行后,進(jìn)程P2P2、P3P3才能執(zhí)行;當(dāng)進(jìn)程才能執(zhí)行;當(dāng)進(jìn)程P2P2執(zhí)行執(zhí)行 后,進(jìn)程后,進(jìn)程P4P4才能執(zhí)行;當(dāng)進(jìn)程才能執(zhí)行;當(dāng)進(jìn)程P3P3執(zhí)行后,進(jìn)程執(zhí)行后,進(jìn)程P5P5才才 能執(zhí)行;當(dāng)進(jìn)程能執(zhí)行;當(dāng)
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