操作系统：进程同步三大经典问题
日期：2019/4/15
内容：进程同步；生产者与消费者；读写者；哲学家进餐；信号量机制。
一、生产者与消费者问题
1.1 版本1
- 代码
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void producer() { while (count == n) ; buff[in] = produce_item(); in = (in + 1) % n; count++; } |
void consumer() { while (count == 0) ; item = buff[out]; print(item); out = (out + 1) % n; count--; } |
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存在问题
>>两个while循环一直在"忙等"，不符合进程同步的"让权等待"原则。
>>对于count变量的访问没有保护。（需要加锁保护）
1.2 版本2：使用信号量
- 代码
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semaphore empty = n, full = 0; void producer() { while (true) { wait(empty); buffer[in] = produce_item(); in = (in + 1) % n; signal(full); } } |
void consumer() { while (true) { wait(full); item = buffer[out]; print(item); out = (out + 1) % n; signal(empty); } } |
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存在问题
>>如果有2个producer进程，empty>=2时，同时进入wait(empty)之后的临界区，对于buff的写和in的写产生竞争。
>>如果有2个consumer进程，full>=2时，同时进入wait(full)之后的临界区，对于out的写产生竞争。
1.3 版本3：临界区加锁（正确版本）
- 代码
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semaphore pmutex = 1, cmutex = 1; semaphore empty = n, full = 0; void producer() { while (true) { wait(empty); wait(pmutex); buff[in] = produce_item(); in = (in + 1) % n; signal(pmutex); signal(full); } } |
void consumer() { while (true) { wait(full); wait(cmutex); item = buff[out]; print(item); out = (out + 1) % n; signal(cmutex); signal(empty); } } |
注：教材对于producer和consumer的临界区都使用了同一个mutex，表示producer和consumer互斥进入临界区。但是个人感觉似乎没必要，因为producer和consumer对于buff的访问不存在竞争关系，只需要保证多个producer进程之间互斥，多个consumer进程之间互斥即可。
二、读者与写者问题
对于多个进程访问同一文件：
- 写者：可以读，也可以写
- 读者：只读
- 允许多个读者同时读
- 某一写者在写，不允许其他读写操作
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R |
R |
1 |
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R |
W |
0 |
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W |
R |
0 |
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W |
W |
0 |
与生产者消费者的区别：
- 生产者不仅仅是写进程，还必须调整in指针，但是在读写者问题当中每个进程的文件读写指针是相互独立的。
- 消费者同理。
2.1 版本1
- 代码
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semaphore mutex = 1; void writer() { while (true) { wait(mutex); write_operation(); signal(mutex); } } |
void reader() { while (true) { wait(mutex); read_operation(); signal(mutex); } } |
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问题
>>不满足"同时读"。
2.2 版本2：增加读者计数器
- 代码
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semaphore wmutex = 1; void writer() { while (true) { wait(wmutex); write_operation(); signal(wmutex); } } |
void reader() { while (true) { if (reader_count == 0) wait(wmutex); reader_count++;
read_operation();
reader_count--; if (reader_count == 0) signal(wmutex); } } |
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问题
>>可以允许多个reader进程同时读，但是对reader_count的访问存在竞争。
2.3 版本3：给reader_count加锁
rmutex实际上只用于保护reader_count被正确更新。
- 代码
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semaphore wmutex = 1, rmutex = 1; int reader_count = 0; void writer() { while (true) { wait(wmutex); write_operation(); signal(wmutex); } } |
void reader() { while (true) { if (reader_count == 0) wait(wmutex); wait(rmutex); reader_count++; signal(rmutex);
read_operation();
wait(rmutex); reader_count--; signal(rmutex); if (reader_count == 0) signal(wmutex); } } |
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问题
>>举例说明红色部分代码问题，reader1和reader2同时执行，同时读取reader_count均为0，那么（假设）先执行reader1的wait1(wmutex)，reader1进入阻塞队列；后执行reader2的wait2(wmutex)，reader进入阻塞队列。（wait是原语操作，1和2必有先后之分）。但是在reader2执行的时候reader_count的值应为1（但实际是0），这就会使reader2成为僵死进程。
2.4 正确版本1：读者优先
- 代码
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semaphore wmutex = 1, rmutex = 1; int reader_count = 0; void writer() { while (true) { wait(wmutex); //保证了W与W互斥 write_operation(); signal(wmutex); } } |
void reader() { while (true) { wait(rmutex); //保证只能有一个reader访问reader_count if (reader_count == 0) wait(wmutex); reader_count++; signal(rmutex);
read_operation();
wait(rmutex); //保证只能有一个reader访问reader_count reader_count--; if (reader_count == 0) signal(wmutex); signal(rmutex); } } |
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问题
>>当读者进程≥1时，随后读者进程直接进入临界区，这是读者优先的表征。
>>写者饿死问题。
>>假设有进程{R1, W1, R2, R3, ..., Rn}
>>>>执行R1，那么wmutex变为0，执行read_operation
>>>>执行W1，wmutex变为-1，阻塞W1
>>>>执行R2，wmutex不变，执行read_operation
>>>>对于若干Ri，均是如此，如果CUP资源不足，Ri会进入就绪队列
>>>>那么W1则很长时间无法调度，就算被siganl操作移入就绪队列也是在队列尾部，产生写者饿死问题。
2.5 正确版本2：写者优先
解决写者饿死问题：保证一个写进程想写时（即使它有可能进入阻塞队列），不允许新的读进程访问临界区。（注意这并不是为了解决"读和写不能同时进行"）。上面读者优先的症结在于写进程想写，但是读进程优先，不断地进入临界区，即读的调度优先级比写高，从而导致读者饿死。
- 代码
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int reader_count = 0, writer_count = 0; semaphore x = 1, y = 1, z = 1; semaphore wmutex = 1, rmutex = 1; void writer() { while (true) { wait(y); if (writer_count == 0) wait(rmutex); writer_count++; signal(y);
wait(wmutex); write_operation(); signal(wmutex);
wait(y); writer_count--; if (writer_count == 0) wait(rmutex); signal(y); } } |
void reader() { while (true) { wait(z); wait(rmutex); wait(x); if (reader_count == 0) wait(wmutex); reader_count++; signal(x); signal(rmutex); signal(z);
read_operation();
wait(x); reader_count--; if (reader_count == 0) wait(wmutex); signal(x);
} } |
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解析
- x:控制reader_count的访问竞争。
- y:控制writer_count的访问竞争。
- wmutex:控制有写进程在写的时候，读进程不能进入临界区。
- rmutex:写进程先把rmutex拿到，保证在写进程运行时，其他所有读进程均无法进入临界区（只能阻塞在rmutex队列上，见红色代码）。
- z:保证了在rmutex的阻塞队列上，只有一个读进程在排队，其余所有读进程在等待rmutex之前，在z的队列上排队。（尝试把wait(z)和signal(z)去掉理解一下）如果没有z，则都在rmutex上排队。
- 为什么需要z？在rmutex上不允许长的排队，否则写进程不能跳过这个长队列。
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举例说明：{R1, W1, R2, R3, ..., Rn}
- 如果有z，reader1先wait1，rmutex=0；然后writer再wait(rmutex)，rmutex=-1；后面尽管有再多的reader都在堵塞在z。此时，只需要等待reader1执行signal(rmutex)，writer即能够进入就绪状态，优先于z中阻塞的reader。
- 如果无z，writer和所有的reader都进入rmutex排队，实质上无法保证writer优先于reader。
三、哲学家进餐问题
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问题描述
哲学家需要只吃饭和思考，需要用2把叉子才能吃饭。叉子只能用自己座位两侧的。需要避免死锁和饥饿。
3.1 版本1
- 代码
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semaphore fork[5] = {1, 1, 1, 1, 1}; void philosopher(int i) { while (true) { think(); wait(fork[i]); wait(fork[(i + 1) % 5]); eat(); signal(fork[i]); signal(fork[(i + 1) % 5]); } }
void main() { for (int i = 0; i < 5; i++) create_process(philosopher(i)); } |
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问题
>>死锁。每个人同时拿起自己左边的叉子，即philosopher[i]拿起fork[i]，那么每个人在wait(fork[(i + 1) % 5])上都会阻塞。
3.2 版本2（正确版本）
解决方案：同时只允许4个人进入房间就餐，那么即至少能保证有1人可以拿到2个fork。
- 代码
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semaphore fork[5] = {1, 1, 1, 1, 1}; semaphore room = 4; void pholosopher(int i) { think(); wait(room); wait(fork[i]); wait(fork[(i + 1) % 5]); eat(); signal(fork[i]); signal(fork[(i + 1) % 5]); signal(room); } void main() { for (int i = 0; i < 5; i++) create_process(philosopher(i)); } |
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解析
保证不会死锁和饥饿。（管程解决方案待续）
