寫在前面：本文參考王道論壇的 操作系統考研復習指導單科書

文章目錄

• • 第二章 進程管理
  • • 進程同步
    • • 讀者寫者問題
      • 哲學家就餐問題
    • 練習題
    • • 哲學家就餐：加碗（2019真題）
      • 既是生產者又是消費者
      • 和尚取水（生產者-消費者問題）
      • 三個合作進程（同步：前驅圖）
    • 死鎖
    • • 死鎖預防
      • 死鎖避免（銀行家算法）
      • 死鎖檢測與解除

第二章 進程管理

進程同步

信號量用于實現進程間的同步和互斥訪問。

讀者寫者問題

模型：讀寫之間互斥，寫寫之間互斥；讀讀不互斥。

關鍵特征：互斥訪問的計數器count。

1）關系分析

寫者和任何人都是互斥的，讀者和讀者不存在互斥關系。

2）思路整理

共有兩個進程，讀者reader()和寫者writer().

• 寫者：因為和任何進程互斥，只要P、V操作即可。
• 讀者：互斥信號量rw實現讀寫互斥；為了實現讀者間同時訪問，創建變量count，用于統計正在讀共享文件的讀者數量。只有第一個讀者可以P(rw);只有最后一個讀者可以V(rw); 使用互斥信號量mutex用于不同讀者進程互斥的訪問count變量.
• 寫優先
  • 設置互斥信號量w用于控制寫優先。讀進程和寫進程在進入后首先P(w)，表示在無寫進程的時候進入，實現寫進程優先。

使用信號量實現進程的互斥和同步：

#include<stdio.h>/* typedef struct{int value;struct process *L; }semaphore;*/ #define semaphore intsemaphore rw = 1; // 讀者和寫者互斥訪問 int count = 0; // 統計正在讀共享文件的讀者數量 semaphore mutex = 1; // 多個讀進程互斥的訪問count變量 semaphore w = 1; // 用于實現寫優先void writer(){while (1){P(w); // 在無寫請求的時候進入P(rw); //互斥訪問共享文件// writingR(rw);V(w); //恢復對共享文件的訪問}}void reader_write_first(){while(1){P(w); // 在沒有寫請求的時候進入P(mutex);if(count == 0)P(rw);count ++;V(mutex);V(w); // 恢復對共享文件的訪問// readingP(mutex);count --;if(count == 0)V(rw);V(mutex);} }

哲學家就餐問題

哲學家問題的一種解法

思路一：至多允許n-1個哲學家同時就餐

semaphore Max = n - 1; // 最多允許n -1 個人同時吃飯 semaphore chopsticks[n];for(int i = 0; i < n; i ++)chopsticks[i] = 1;Pi(){P(Max);P(chopsticks[i]); // 拿左手邊的筷子P(chopsticks[(i+1)%n]); // 拿右手邊的筷子//eatingV(Max);V(chopsticks[i]);V(chopsticks[(i+1)%n]);// thinking }

練習題

哲學家就餐：加碗（2019真題）

思路：使用互斥信號量來控制哲學家拿筷子。取互斥信號量bowl取筷子(n)和碗(m)兩者的最小值。why？

• 當m < n時，碗的數量少，此時P(bowl) 和V(bowl)可以起到限制作用。此時，碗的數量m相當于普通的哲學家問題解法里面的Max，即Max = m;

• 當n ≥ m時，碗多，此時P(bowl) 和V(bowl)不起作用。問題退化為普通的哲學家就餐問題，此時Max = n - 1;

綜上，取semaphore bowl = min(m, n- 1);

信號量偽代碼：

#include<stdio.h>/* typedef struct{int value;struct process *L; }semaphore;*/ #define semaphore int #define n 3 #define m 5semaphore chopsticks[n]; semaphore bowl = min(n - 1,m);void Pi(){for(int i = 0; i < n; i ++)chopsticks[i] = 1; // 互斥信號量全部初始化為1P(bowl);P(chopsticks[i]);P(chopsticks[(i+1)%n]);// eatingV(chopsticks[i]);V(chopsticks[(i+1)%n]);V(bowl);// thinking }

既是生產者又是消費者

解答

#include<stdio.h>/* typedef struct{int value;struct process *L; }semaphore;*/ #define semaphore int semaphore mutex = 1;// 互斥訪問緩沖區 semaphore full = 0; // 緩沖區產品的數量 semaphore empty = 1; // 緩沖區空格的數量//P是生產者 void P(){while(1){P(empty);P(mutex);// produce oneV(mutex);V(full);} }// Q是消費者 void Q(){while(1){P(full);P(mutex);// consume oneQ(mutex);Q(empty);} }//R 既是生產者又是消費者 void R(){// 執行producer的職能if(empty == 1){P(empty);P(mutex);// produce one;V(mutex);V(full);}//執行consumer的職能if(full == 1){P(full);P(mutex);// consume oneV(mutex);V(empty);} }

和尚取水（生產者-消費者問題）

信號量代碼

#include<stdio.h>/* typedef struct{int value;struct process *L; }semaphore;*/ #define semaphore intsemaphore well = 1; //用于互斥訪問水井 semaphore vat = 1; // 用于互斥訪問水缸 semaphore empty = 10; // 表示水缸內還可以容納的水的桶數 semaphore full = 0; // 表示水缸中水的桶數 semaphore pail = 3; // 表示有多少個水桶可以用void old_monk(){P(full); // 老和尚取水后，水缸中水的數量--P(pail);P(vat);// 從水缸(vat)中取一桶水V(vat);V(empty); // 取完水后，水缸剩余空間++// 喝水V(pail); } /* 注意P操作的先后順序:先確認水缸還有空余位置，再去拿桶，再打水。*/void little_monk(){P(empty); // 水缸中剩余空間-- P(pail);P(well);// 從水井（well）中打一桶水V(well);P(vat);// 倒入水缸(vat)V(vat);V(full); // 水缸中水量++v(pail); }

本題批注：

連續多個P操作連在一起的時候，檢查可能會發生死鎖。本題如果先P(pail)，再P(empty)；就會發生死鎖。pail是水桶，empty是水缸內剩余空間能容納的水的桶數

三個合作進程（同步：前驅圖）

分析：

各個進程的任務：

P1進程從輸入設備輸入數據a；然后計算 x = a + b; 使用打印機打印x,y,z;

P2進程從輸入設備輸入數據b；然后計算y = a * b;

P3進程從輸入設備輸入數據c；然后計算z = y + c - a;

進程同步：

注意：進程同步前V后P的使用，亦即在前的進程執行完后V(某信號量);，而在后的進程執行前P(某信號量);

下面是三個進程的執行順序，故而需要兩個同步信號量。

此題有前驅圖的感覺。前驅圖使用信號量進行同步，所以就不需要再使用另外的互斥信號量mutex了。

死鎖

死鎖v.s. 饑餓 v.s. 死循環

• 死鎖：各進程相互等待對方手里的資源，導致各進程都阻塞
• 饑餓：某進程長時間得不到某種資源，無法向前推進。比如短進程優先(SPF)算法中，長進程可能一直無法運行，“饑餓”
• 死循環：某進程執行過程中一直跳不出某個循環的現象

死鎖和饑餓是操作系統要解決的問題，死循環是應用程序員要解決的問題。

死鎖預防

死鎖避免（銀行家算法）

死鎖檢測與解除

系統為進程分配資源時不采取任何措施，而在具體分配過程中提供死鎖檢測和解除的手段。

資源分配圖：是一個有向圖，用于表示某時刻系統資源與進程之間的關系。

圓圈代表進程，方框代表一類資源，方框內圓圈個數代表該類資源的個數。

死鎖的知識結構

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统第二章 进程管理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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