1. 問題描述

設(shè)自行車生產(chǎn)線上有一只箱子，其中有N個位置（N≥3），每個位置可存放一個車架或一個車輪，又設(shè)有三名工人，其活動分別為：
2. 問題分析（包括涉及的知識點、制約關(guān)系分析、問題的解決思路等）

? 根據(jù)題目意義分析，該題所述作業(yè)工人1、工人2與工人3構(gòu)成生產(chǎn)者與消費者關(guān)系，存在著生產(chǎn)者-消費者問題的同步關(guān)系，涉及的知識點包括：信號量、PV原語、進程同步、死鎖問題等。

? 問題解決思路：

? 用信號量與PV操作實現(xiàn)三個工人的合作，首先不考慮死鎖問題，工人1與工人3、工人2與工人3構(gòu)成生產(chǎn)者與消費者關(guān)系，這兩對生產(chǎn)-消費關(guān)系通過共同的緩沖區(qū)——箱子相聯(lián)系。從資源的角度來看，箱子中的空位置相當于工人1和工人2的資源，而車架和車輪相當于工人3的資源。定義三個信號量empty（空位置數(shù)量）、frame(車架數(shù)量）、wheel(車輪數(shù)量）來實現(xiàn)這種同步關(guān)系，分析會產(chǎn)生什么問題：

semaphore empty = N;//空位置數(shù)量 semaphore frame = 0;//車架數(shù)量 semaphore wheel = 0;//車輪數(shù)量do{ //工人1活動 P(empty); 加工一個車架; 車架放入箱中; V(frame); }while(1)do{ //工人2活動 P(empty); 加工一個車輪; 車輪放入箱中; V(wheel); }while(1)do{ //工人3活動 P(frame); P(wheel); P(wheel); 箱中取一個車架; 箱中取一個車架; 組裝一臺車; V(empty); V(empty); V(empty); }while(1)

? 分析易見，當工人1加工速度較快時，箱中空位置可能完全被車架占滿或只留有一個存放車輪的位置，而當此時工人3同時取2個車輪時將無法得到，而工人2又無法將新加工的車輪放入箱中；當工人2加工速度較快時，箱中空位置可能完全被車輪占滿，而當此時工人3取車架時將無法得到，而工人1又無法將新加工的車架放入箱中。上述兩種情況都意味著死鎖的發(fā)生。為防止死鎖的發(fā)生，箱中車架的數(shù)量不可超過N-2，車輪的數(shù)量不可超過N-1，這些限制可以添加另外兩個信號量maxframe(箱中最大車架數(shù))、maxwheel（箱中最大車輪數(shù)）來解死鎖產(chǎn)生問題，解決方案如下。

3. 解決方案（包括所用工具介紹、方案流程圖、方案偽代碼等）

方案偽代碼如下：

semaphore empty = N;//空位置數(shù)量 semaphore maxframe = N-2;//箱中最大車架數(shù)量 semaphore maxwheel = N-1;//箱中最大車輪數(shù)量 semaphore frame = 0;//車架數(shù)量 semaphore wheel = 0;//車輪數(shù)量do{ //工人1活動P(maxframe); P(empty); 加工一個車架; 車架放入箱中; V(frame); }while(1)do{ //工人2活動P(maxwheel); P(empty); 加工一個車輪; 車輪放入箱中; V(wheel); }while(1)do{ //工人3活動 P(frame); P(wheel); P(wheel); 箱中取一個車架; 箱中取一個車架; 組裝一臺車; V(maxframe); V(maxwheel); V(maxwheel); V(empty); V(empty); V(empty); }while(1)

工具介紹：

所用工具為jBACI,該工具包有自己的編譯器和解釋器，源代碼有編譯器編譯，再解釋執(zhí)行，類似于java，該工具可以在windows10系統(tǒng)下直接運行。程序編寫有“.cm”和“.pm”兩種格式，“.cm”格式和C語言、C++相似，內(nèi)置一些圖形函數(shù)，具體可以參照docs文件夾下的說明書和examples文件夾下的范例來學習使用，使用前需要更改內(nèi)部配置文件config.cfg文件，修改內(nèi)容為：

SOURCE_DIRECTORY=.\examples\

PASCAL_COMPILER=.\bin\bapas.exe

C_COMPILER=.\bin\bacc.exe

（下載地址：https://github.com/motib/jbaci）

代碼編寫好后，需要點擊Compile進行編譯，才能夠點擊Run執(zhí)行，進入執(zhí)行頁面可以看到有代碼執(zhí)行區(qū)、控制臺、全局變量區(qū)等，可以對代碼Add添加斷點，可以step單步執(zhí)行，點擊Go執(zhí)行后還可以很好看清各個進程的詳細執(zhí)行情況和各個變量的數(shù)值變化。

總之，jBACI是用來學習計算機操作系統(tǒng)進程同步與互斥制約關(guān)系的一個相當友好而且實用的工具。

方案示意流程圖如下：

方案具體實現(xiàn)代碼如下：

const int ValueOfCars = 50;//設(shè)定生產(chǎn)車的數(shù)量期望值int sumframe = 0;//用于計數(shù)生產(chǎn)車架的數(shù)量int sumwheel = 0;//用于計數(shù)生產(chǎn)車輪的數(shù)量int sumcar = 0;//用于計數(shù)生產(chǎn)車的數(shù)量semaphore empty = 6;//信號量：為了易于程序?qū)崿F(xiàn)，設(shè)置位置N=6semaphore maxframe = 4;//信號量：為了防止死鎖產(chǎn)生，箱中最大可容納的車架數(shù)semaphore maxwheel = 5;//信號量：為了防止死鎖產(chǎn)生，箱中最大可容納的車輪數(shù)semaphore frame = 0;//信號量：車架數(shù)初始值=0semaphore wheel = 0;//信號量：車輪數(shù)初始值=0void worker1() {while (sumframe < ValueOfCars) {//為了防止死鎖，給工人1一個停止條件wait(maxframe);wait(empty);sumframe = sumframe + 1;cout << "Worker1 is working " << endl;signal(frame);}cout << "Worker1 have finished work " << endl;//工人1工作結(jié)束}void worker2() {while (sumwheel < 2*ValueOfCars) {//為了防止死鎖，給工人2一個停止條件wait(maxwheel);wait(empty);sumwheel = sumwheel + 1;cout << "Worker2 is working "<< endl;signal(wheel);}cout << "Worker2 have finished work " << endl;//工人2工作結(jié)束}void worker3() {while (sumcar < ValueOfCars) {//為了防止死鎖，給工人3一個停止條件wait(frame);wait(wheel);wait(wheel);sumcar = sumcar + 1;cout << "Worker3 is working "<< endl;signal(maxframe);signal(maxwheel);signal(maxwheel);signal(empty);signal(empty);signal(empty);}cout << "Worker3 have finished work " << endl;//工人3工作結(jié)束}void main() {cobegin { worker1(); worker2();worker3();}cout << "Sumframe = " << sumframe << endl;//輸出生產(chǎn)的車架總數(shù)cout << "Sumwheel = " << sumwheel << endl;//輸出生產(chǎn)的車輪總數(shù)cout << "Sumcar = " << sumcar << endl;//輸出生產(chǎn)的車總數(shù)}

4.實驗結(jié)果分析（包括結(jié)果展示、結(jié)果原因剖析等）

結(jié)果展示：

? 左邊結(jié)果顯示，工人1率先停下工作，工人2其次，工人3最后完成工作，右邊結(jié)果顯示，箱中車架數(shù)frame和車輪數(shù)wheel為0，箱中空位置數(shù)empty復位為6，最大可容納車架數(shù)maxframe和最大可容納車輪數(shù)maxwheel復位,生產(chǎn)出的車架數(shù)、車輪數(shù)、車輛數(shù)正好達到所設(shè)期望值，不超出也沒減少，而且程序執(zhí)行過程中并沒有發(fā)出“A deadlock occured”的死鎖警告。

結(jié)果原因剖析：

? 該結(jié)果符合預期，成功避免了死鎖發(fā)生。原因一是新添了兩個信號量最大可容納車架數(shù)maxframe和最大可容納車輪數(shù)maxwheel，阻止了生產(chǎn)中出現(xiàn)的工人1或2加工過快導致箱中無法湊齊一輛車必要部件的死鎖情況，原因二是通過設(shè)置生產(chǎn)車量的期望值來給每個工人一個工作結(jié)束條件，避免了工人1或2其中一個率先結(jié)束工作時工人3未結(jié)束工作但因一個部件缺少而一直等待，另一工人也等待工人3拿走箱中部件才能繼續(xù)加工的死鎖情況。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机操作系统专题一：多道环境下进程同步与互斥制约关系的学习的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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