操作系统同步与互斥之经典同步问题 生产者-消费者问题,读者-写者问题,哲学家进餐问题

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一、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。生产者和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;同时只有缓冲区不空时,消费者才能从中取出产品,否则必须等待。

关键点:此问题中有两个同步关系和一个互斥关系。两个同步关系是指生产产品与取走产品之间的同步,以及释放缓冲区与使用缓冲区之间的同步。互斥关系是指对缓冲区的互斥访问。

解决方案:通常需要设置三个信号量来解决此问题,一个是互斥信号量(实现对缓冲区的互斥访问),另外两个是同步信号量(分别表示空闲缓冲区的数量和非空闲缓冲区的数量)。

二、读者-写者问题

问题描述:有读者和写者两组并发进程,它们共享一个文件。当两个或两个以上的读进程同时访问共享数据时不会出现问题,但若某个写进程和其他进程(包括读进程和写进程)同时访问共享数据时,则可能导致数据不一致的错误。

关键点:需要确保多个读者可以同时对文件执行读操作,但只允许一个写者往文件中写信息。同时,任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作。写者执行写操作前,应让已有的读者和写者全部退出。

解决方案:可以设置一个互斥信号量来确保写进程和读进程(或写进程和写进程)之间的互斥访问。同时,为了记录当前访问共享文件的读进程数量,并实现对这一数量的互斥访问,还需要设置另一个互斥信号量和一个计数变量。

三、哲学家进餐问题

问题描述:五位哲学家坐在圆桌旁,每位哲学家左右两边各有一把叉子。哲学家需要左右两边的叉子才能进餐。如果某个时刻一位哲学家左右两边的叉子都被其他哲学家占用,那么这位哲学家将无法进餐。

关键点:此问题中的关键是如何避免死锁,并确保哲学家们能够高效地进餐。

解决方案:可以通过引入信号量来管理叉子的分配和释放。一种常见的策略是仅当哲学家的左右两支叉子都可用时,才允许他拿起叉子进餐。这可以通过AND型信号量机制或信号量的保护机制来实现。另一种策略是允许最多只有四个哲学家同时进餐,以保证至少有一个哲学家能够进餐并最终释放出他所使用过的叉子。