操作系统（Operating System）专题篇——同步与互斥1-编程知识

0.前言

1.同步与互斥问题总览

2.生产者-消费者问题

2.1 单生产者-单消费者-多资源

2.2 多生产者-多消费者-单资源

2.3 吸烟者问题(单生产者-多消费者-单资源)

2.4 和尚打水问题(多生产者-多消费者-多资源)

3.读写者问题

3.1 读者优先

3.2 写者优先

3.3 过桥问题(双读者)

0.前言

本系列文章旨在记录操作系统的知识点，可用于期末复习，笔者理解尚浅，文中不正之处静待批正。专题篇为大题常考题型，必须要重点把握。

1.同步与互斥问题总览

我们主要讨论通过信号量的PV操作来实现同步与互斥，本篇主要关注生产者-消费者问题及变体和读写者问题等。

对于互斥：

主要通过互斥锁mutex来实现，初值为1
不同的临界区资源要用不同的信号量
在临界区之前进行P操作，临界区之后进行V操作，必须成对出现

对于同步：

主要通过同步信号量来实现，初值为0
按照顺序来执行进程，先V后P
同步一定在互斥之前

2.生产者-消费者问题

2.1 单生产者-单消费者-多资源

互斥：由于缓冲区为n，所以需要用互斥锁来实现同一进程对缓冲区的互斥访问，先P后V

同步：生产者生成完后发出已满的信号，然后再由消费者消费；同时消费者消费完后，发出已空的信号，再由生产者生产。因此先V后P

2.2 多生产者-多消费者-单资源

分析：由于有多个生产者和消费者，因此每一个生产者消费者都有自己的信号量。生产者接收盘子为空的信号，然后争夺使用权，并生产自己的水果。而消费者接收自己需要的水果信号，消费完后发出盘子为空的信号。因为缓冲区大小为1，已经实现了互斥，所以也可以不需要互斥锁。

2.3 吸烟者问题(单生产者-多消费者-单资源)

分析：与2.2类似，吸烟者只需要等待自己所需的才材料的信号，而供应者需要轮流地提供材料。由于只有缓冲区可以视为1，因此也不需要互斥锁来维护缓冲区。

2.4 和尚打水问题(多生产者-多消费者-多资源)

初始化时：
sem empty = 10; //缓冲区大小，水缸还剩多少
sem full = 0; //实现同步
sem mutex1 = 1; //表示对井的互斥
sem mutex2 = 1; //表示对缸的互斥
sem count = 3; //桶的数量
分析：对于这种涉及变量较多的问题需要先理清执行过程，按照过程来书写。对于小和尚来说，先接收到水缸空了的信号，然后去拿桶，再去井中取水，取出水后需要将水倒入缸中，最后还桶并告诉老和尚水缸已满。对于老和尚来说，先接收到水缸已满的信号，然后去拿桶，再去缸中取水，最后还桶并告诉小和尚水缸空了。在整个过程中，需要对井、缸、桶实现互斥，保证只有一个进程在使用，然后通过空和满的信号来实现同步。要注意的是初始化时empty信号就等于缓冲区的大小。

3.读写者问题

问题分析：①写与读需要互斥；②写与写需要互斥；③读与读不需要互斥

3.1 读者优先

目前正在读，新的读会持续进入，写会饥饿

分析：如果有多个读进程，则第一个读进行上锁，后续的读可以连续进入，同时最后一个读进行解锁，保证了读者优先于写者。

3.2 写者优先

当有新的写存在，新的读不能进行读

分析：mutex1和mutex2实现读写进程对于自身的互斥。如果目前正在写，并且新的读和写同时到达，读写都会在semWait(writemutex)上等待，因此需要竞争进入，没有保证写优先。

分析：仿照读者优先，在第一个写进程到达时拿到读的互斥锁，则后续的写会阻塞在外面，当最后一个写执行完后再释放锁。但是如果当前正在读，并且同时来一个写和读，第一个写和所有新的读都会在semwait(readmutex)上等待，需要竞争，依然没有保证写优先。

(正解)分析：为了解决正在读情况下，新写和新读中新写无法优先的问题，让读先在z上排队，而写在readmutex排队，由于z的释放晚于readmutex，因此可以保证写优先。

有可能部分读者会认为z的引入是多余的，因此可以让readmutex位于mutex1里面，而mutex1就充当了z的作用，因此会写出下面的程序：

分析：如果进程的到达顺序是读-写-读，且第一个读正在readdata()，那么写进程会阻塞于semWait(writemutex)，而第二个读会阻塞于semWait(readmutex)。此时就会发生死锁，因为第二个读已经拿到了mutex1，导致第一个读readdata()完成后会阻塞于semWait(mutex1)。