2.3.7 操作系统之进程同步与互斥经典问题（生产者-消费者问题、多生产者-多消费者问题、吸烟者问题、读者-写者问题、哲学家进餐问题）
1.生产者-消费者问题
问题描述
系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。(注：这里的“产品”理解为某种数据)
关系分析，分析它们之间的同步、互斥关系
- 生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。
- 只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。
- 只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待。
- 缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。
分析完之后再
确定信号量，互斥信号量初值一般为1，同步信号量的初值要看对应资源的初始值是多少。
前驱图
代码实现
思考一下，能改变相邻P、V操作的顺序？
2.多生产者-多消费者问题
问题描述
桌子上有一只盘子，每次只能向其中放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，儿子专等着吃盘子中的橘子，女儿专等着吃盘子中的苹果。只有盘子空时，爸爸或妈妈才可向盘子中放一个水果。仅当盘子中有自己需要的水果时，儿子或女儿可以从盘子中取出水果。用PV操作实现上述过程。
关系分析，分析它们之间的同步、互斥关系
互斥关系：（mutex=1）对缓冲区（盘子）的访问要互斥地进行
同步关系（一前一后）：
- 父亲将苹果放入盘子后，女儿才能取苹果
- 母亲将橘子放入盘子后，儿子才能取橘子
- 只有盘子为空时，父亲或母亲才能放入水果
“盘子为空”这个事件可以由儿子或女儿触发，事件发生后才允许父亲或母亲放水果。
前驱图
代码实现
思考一下，在这里，可不可以不用信号互斥量？
结论：即使不设置专门的互斥变量mutex，也不会出现多个进程同时访问盘子的现象。
原因在于：本题中的缓冲区大小为1，在任何时刻，apple、orange、plate 三个同步信号量中最多只有一个是1。因此在任何时刻最多只有一个进程的P操作不会被阻塞，并顺利地进入临界区。
如果盘子容量为2的话，有可能导致两个进程写入缓冲区的数据相互覆盖的情况，这时候就必须设置一个互斥信号量mutex来保证互斥访问缓冲区。
3.吸烟者问题
问题描述
假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者不停地卷烟并抽掉它，但是要卷起并抽掉一支烟，抽烟者需要有三种材料:烟草、纸和胶水。三个抽烟者中，第一个拥有烟草、第二个拥有纸、第三个拥有胶水。供应者进程无限地提供三种材料，供应者每次将两种材料放桌子上，拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它，并给供应者进程一个信号告诉完成了，供应者就会放另外两种材料再桌上，这个过程一直重复(让三个抽烟者轮流地抽烟)。
关系分析，分析它们之间的同步、互斥关系
这本质上是
可生产多种产品的单生产者-多消费者问题
互斥关系：桌子可以抽象为容量为1的缓冲区，要互斥访问。
同步关系（从事件的角度来分析）：桌子上有组合一（纸+胶水）-->第一个抽烟者取走东西
桌子上有组合二（烟草+胶水）-->第二个抽烟者取走东西
桌子上有组合三（烟草+纸）-->第三个抽烟者取走东西
发出完成信号-->供应者将下一个组合放到桌上
前驱图
代码实现
4.读者-写者问题
问题描述
有读者和写者两组并发进程，共享一个文件，当两个或两个以上的读进程同时访问共享数据时不会产生副作用，但若某个写进程和其他进程（读进程或写进程）同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。因此要求:
①允许多个读者可以同时对文件执行读操作;
②只允许一个写者往文件中写信息;
③任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作;
④写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。
关系分析写进程-写进程、写进程-读进程存在互斥关系
代码实现
读者-写者问题为我们解决复杂的互斥问题提供了一个参考思路。其
核心思想在于设置了一个计数器 count用来记录当前正在访问共享文件的读进程数。我们可以用count 的值来判断当前进入的进程是否是第一个/最后一个读进程，从而做出加锁/解锁操作。另外，对 count变量的检查和赋值不能一气呵成导致了一些错误，如果需要实现“一气呵成”，自然应该想到用互斥信号量。
5.哲学家进餐问题
问题描述
一张圆桌上坐着5名哲学家，每两个哲学家之间的桌上摆一根筷子，桌子的中间是一碗米饭。哲学家们倾注毕生的精力用于思考和进餐，哲学家在思考时，并不影响他人。只有当哲学家饥饿时，才试图拿起左、右两根筷子（一根一根地拿起)。如果筷子已在他人手上，则需等待。饥饿的哲学家只有同时拿起两根筷子才可以开始进餐，当进餐完毕后，放下筷子继续思考。
关系分析：5位哲学家与左右邻居对其中间筷子的访问是互斥关系。
信号量设置。定义互斥信号量数组chopstick[5]={1,1,1,1,1}用于实现对5个筷子的互斥访问。并对哲学家按0~4编号，哲学家i左边的筷子编号为i，右边的筷子编号为(i+1)%5。
代码实现
我们怎么避免死锁的发生呢？
- 可以对哲学家进程施加一些限制条件，比如最多允许四个哲学家同时进餐。这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的。
- 要求奇数号哲学家先拿左边的筷子，然后再拿右边的筷子，而偶数号哲学家刚好相反。用这种方法可以保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭，那么只会有其中一个可以拿起第一只筷子，另一个会直接阻塞。这就避免了占有一支后再等待另一只的情况
- 仅当一个哲学家左右两支筷子都可用时才允许他抓起筷子。
使用第三种方法实现：
