- 生产者—消费者问题
v 互斥、同步
- 哲学家就餐问题
v 互斥
- 读者——写者问题
v 有条件的互斥
1. 生产者—消费者问题
¡ The proceducer – consumer problem：多个生产者和消费者对n个缓冲区的使用。
¡ 不考虑互斥、同步问题会导致counter计数错误
¡ 如何设置信号量？从资源、顺序两个角度分析：
- 无论生产者、消费者使用缓冲池时应保证互斥使用（互斥信号量mutex ）
- 生产者和消费者间交叉有序：
l 有序的控制最根源在产品数量上。
l 设置两个信号量：
分别针对生产者、消费者设置不同的信号量，empty和full分别表示缓冲池中空缓冲池和满缓冲池（即产品）的数量。
¡ * 变量和信号量
buffer: array [ 0, …, n-1] of item;
in, out: integer :=0, 0;
不使用Counter变量，而是用信号量
Var mutex, empty, full: semaphore :=1, n, 0;
consumer :
repeat
nextc:=buffer(out);
out:=(out+1) mod n;
consume the item in nexc;
until false;
¡ 检查：
- 每个程序中用于实现互斥的wait(mutex)和signal(mutex)必须成对地出现。
- 控制顺序的信号量empty和full的wait和signal操作，成对地出现在不同的进程中。
- 在每个程序中的多个wait操作顺序不能颠倒。且应先执行对资源信号量的wait操作，再执行对互斥信号量的wait操作，否则可能引起进程死锁。
- 模拟交替执行过程，检查控制是否正确。
¡ 思考练习
下面，在脑中进行模拟思考练习，假设若干进程采用简单的时间片轮转法轮流执行，分析进程的交叉执行过程，体会信号量原语的控制作用到底表现在哪里。
¡ 模拟交叉运行
1）两个生产者同时的情况
假设的时间片轮转顺序如下
produce;
produce;
wait(e);
wait(m);
buffer(in):=nexp;
wait(e);
wait(m);
buffer(in):=nexp;
in:=(in+1)mod n;
signal(m);
signal(f);
in:=(in+1)mod n;
signal(m);
signal(f);
¡ 1号生产者的wait操作使e=n-1，m=0
¡ 当1号正在in=0的buffer[0]放入产品时，2号来到，wait（e）仍通过，e=n-2；但wait（m）会使2号阻塞。m=-1，e=n-2。
¡ 转入1号生产者执行使in=1,，唤醒m上的等待者——2号生产者，但可能并不立即切换到2号运行，而是其分到的cpu时间完成后再转到2号。此时m=0，f=1。
¡ 回到2号进程后，将产品放入缓冲区；in=2；m=1；f=2。
¡ 2）生产者等待消费者情况
假设的时间片轮转顺序如下
produce;
wait(e);
wait(m);
buffer(in):=nexp;
wait(f);
wait(m);
nextc:=buffer(out);
in:=(in+1)mod n;
signal(m);
signal(f);
out:=(out+1) mod n;
signal(m);
signal(e);
consume;
¡ 设当前运行到一个临界点，缓冲区满了，而生产者先来了要生产。
¡ e=0；m=1；f=n
¡ 注意：signal原语唤醒的因wait阻塞的进程后该进程并不需再重新执行wait。
¡ 3）2个生产者2个消费者同步模拟分析
¡ *AND信号量的方式
consumer :
repeat
nextc:=buffer(out);
out:=(out+1) mod n;
consume the item in nexc;
until false;
2. 哲学家进餐问题
五个哲学家共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在桌子上有五只碗和五只筷子，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用其左右最靠近他的筷子，只有在他拿到两只筷子时才能进餐。进餐毕，放下筷子继续思考。
¡ 1）记录型信号量解决哲学家进餐问题
筷子是临界资源，在一段时间内只允许一个哲学家使用。为实现对筷子的互斥使用，用一个信号量表示一只筷子，五个信号量构成信号量数组。
Var chopstick: array [0, …, 4] of semaphore;
所有信号量均被初始化为1。
第i 位哲学家的活动可描述为：
repeat
wait(chopstick[ i ]);
wait(chopstick[ ( i +1) mod 5] );
…
eat;
…
signal(chopstick[ i ]);
signal(chopstick[ ( i +1) mod 5] );
…
think;
until false;
¡ 2）就餐死锁问题
假如五位哲学家同时饥饿而各自拿起左边的筷子时，就会使五个信号量chopstick均为0，当他们再试图去拿右边的筷子时，都将因无筷子可拿而无限等待。
¡ 解决方法：
u 数量控制：
至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少有一位哲学家能够进餐，并在用毕后释放出他用过的两只筷子，从而使更多的哲学家能够进餐。---限制并发执行的进程数
¡ 抛砖引玉：
l 一个房间，只允许进入6个人，如何用信号量进行控制？
u 一刀切：
仅当哲学家的左右两只筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。---采用AND信号量。
u IF编程控制
规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿右边的筷子；偶数号哲学家则相反。保证总会有一个哲学家能同时获得两只筷子而进餐
if I mod 2=0
…
else
…
3. 读者——写者问题
¡ 一个数据文件被多个进程共享。Reader进程只要求读文件，Writer进程要求写入内容。
¡ 合理的同步关系是：
l 多个读进程可同时读；
l Writer进程与任何其他进程（包括Reader进程或其他Writer进程）不允许同时访问文件。
¡ * 解决思路 *
¡ 如何设置互斥信号量？
l 所有进程都对一个互斥信号量m进行操作？
¡ 不符合读者之间不需要互斥的要求。
¡ 写者操作要和其他的都互斥，所以必要判断互斥信号量，
没有变化：
¡ 只有第一个读进程进行互斥判断；
只要有一个“读进程”在读就不释放，“写进程”就不能写。（一种读者优先的方式）
读者Reader :
begin
repeat
if Readcount=0 then
Readcount :=Readcount +1;
…
perform read operation;
…
Readcount :=Readcount -1;
if Readcount=0 then
until false;
end
¡ 类似问题
¡ 单行问题
l 同向不互斥，异向互斥
¡ 船闸问题
l 同闸航道不互斥，不同闸的互斥
¡ * 利用信号量集机制解决读者——写者问题
- 引入信号量L控制读者的数目，初值为RN。
- 互斥信号量mx，初值为1。
- 利用信号量集的一种特殊情况——开关。
读者：判断L，判断是否有写者；
写者：判断是否有读者；
