第二章 程序的描述與控制（2）
2.4經典同步問題
一、生產者——消費者問題（互斥、同步）
生產者與生產者，消費者與消費者之間是互斥的關係。生產者與消費者之間是順序關係。
設定訊號量empty，full以及互斥訊號量mutex設初值為1。
（1）兩個生產者同時的情況：
producer :
int in=0,out=0;
item buffer[n];
semaphore mutex=1,empty=n,full=0;
void producer(){
do{
…
produce an item in nexp;
…
wait(empty);//先執行對資源的訊號量的操作然後進行對互斥訊號量的操作。操作順序不可顛倒防止程序死鎖。
wait(mutex);
buffer(in):=nexp;
in:=(in+1) mod n;
signal(mutex);//訊號量成對的出現
signal(full);
}while(true);
}
過程分析：
1）1號生產者的wait操作使e=n-1，m=0
2）當1號正在in=0的buffer[0]放入產品時，2號來到，wait（e）仍通過，e=n-2；但wait（m）會使2號阻塞。m=-1，e=n-2。
3）轉入1號生產者執行使in=1,，喚醒m上的等待者——2號生產者，但可能並不立即切換到2號執行，而是其分到的cpu時間完成後再轉到2號。此時m=0，f=1。
4）回到2號程序後，將產品放入緩衝區；in=2；m=1；f=2。
（2）生產者等待消費者的情況
produce;
wait(e);
wait(m);
buffer(in):=nexp;
wait(f);
wait(m);
nextc:=buffer(out);
in:=(in+1)mod n;
signal(m);
signal(f);
out:=(out+1) mod n;
signal(m);
signal(e);
consume;
過程分析：
1）設當前執行到一個臨界點，緩衝區滿了，而生產者先來了要生產。
2）e=0；m=1；f=n當第一個生產者來了，e=-1被阻塞，只有等到一個消費者來時程式才可以繼續。此時wait(f),f=n-1,wait(m),m=0,繼續向下執行，執行過後signal，m=1,f=n。
3）out:=(out+1) mod n，取出產品，當signal(m),m=2;signal(e),e=0.
注意：signal原語喚醒的因wait阻塞的程序後該程序並不需再重新執行wait。
（3）2個生產者2個消費者
AND訊號量的方式
consumer :
repeat
Swait(full,mutex);
nextc:=buffer(out);
out:=(out+1) mod n;
Ssignal(mutex,empty);
consume the item in nexc;
until false;
二、哲學家就餐問題（互斥）
筷子是臨界資源，要實現對筷子的互斥相鄰兩位不能同時進餐；最多隻能有兩人同時進餐。
解決方案：
（1）至多隻允許有四位哲學家同時去拿左邊的筷子，最終能保證至少有一位哲學家能夠進餐，並在用畢後釋放出他用過的兩隻筷子，從而使更多的哲學家能夠進餐。
第i 位哲學家的活動可描述為：
repeat
wait(chopstick[ i ]);
wait(chopstick[ ( i +1) mod 5] );
…
eat;
…
signal(chopstick[ i ]);
signal(chopstick[ ( i +1) mod 5] );
…
think;
until false;
（2）僅當哲學家的左右兩隻筷子均可用時，才允許他拿起筷子進餐。—採用AND訊號量
Var chopstick: array [0, …, 4] of semaphore:=(1, 1, 1, 1, 1);
Process i
repeat
think;
Swait(chopstick[ ( i +1) mod 5] , chopstick[ i ] );
eat;
Ssignal(chopstick[ ( i +1) mod 5] , chopstick[ i ] );
until false;
（3） 規定奇數號哲學家先拿他左邊的筷子，然後再去拿右邊的筷子；偶數號哲學家則相反。保證總會有一個哲學家能同時獲得兩隻筷子而進餐。—採用IF程式設計控制
三、讀者——寫者問題（有條件的互斥）
Writer程序與任何其他程序（包括Reader程序或其他Writer程序）不允許同時訪問檔案。
(1)寫者操作要和其他的都互斥，所以必要判斷互斥訊號量， 沒有變化：
(2)只有第一個讀程序進行互斥判斷；
(3)只要有一個“讀程序”在讀就不釋放，“寫程序”就不能寫。（一種讀者優先的方式）
寫者Writer :
repeat
wait(wmutex);
寫入檔案；
signal(wmutex);
until false;
讀者Reader :
begin
repeat
wait(rmutex);
if Readcount=0 then wait(wmutex);//防止寫程序再進入，不影響其他讀程序
Readcount :=Readcount +1;
signal(rmutex);
…
perform read operation;
…
wait(rmutex);
Readcount :=Readcount -1;
if Readcount=0 then signal(wmutex);
signal(rmutex);
until false;
end
寫者優先的方式
Readcount變數，rmutex訊號量
寫者間起作用：
writecount變數，mutex訊號量
讀者與寫者間起作用：
wmutex
S
四、黑白棋子問題
兩種情況的解決辦法：
（1）執黑子一方先下
訊號量：b=1,w=0;
黑：
while(沒結束){
wait(b);
下一黑棋;
signal(w);
}
白：
while(沒結束){
wait(w);
下一白棋;
signal(b);
}
另一種方式：
semaphore bfg=1;wfg=0;
void main(){
black();white();
void black(){
while(true){
wait(bfg);
if whereput(){
put a black chess;
}
else break;
signal(wfg);
}
}
void white(){
while(true){
wait(wfg);
if whereput(){
put a white chess;
}else break;
signal(bfg);
}
}
}
（2）雙方都可以先下，誰先搶到棋盤誰先下。然後開始輪流下子。
利用互斥訊號量與特殊標誌變數的結合使用實現有序控制
semaphore bfg=1;wfg=0;m=1;
boolean fg=F;
void main(){
black();
white();
}
void black(){
wait(m);
if !fg{
bfg=1;wfg=0;fg=T;
signal(m);
while(true){
wait(bfg);
if whereput(){
put a black chess;
signal(wfg);
}
else{
signal(wfg);
break;
}}}
void white(){
wait(m);
if !fg{
bfg=0;wfg=1;fg=T;
}
signal(m);
while(true){
wait(wfg);
put a white chess;
signal(bfg);
}}
五、嗜睡的理髮師問題
Int cout=0；
Semaphore mutex=1,sofa=N,empty=1,full=0,cut=0,payment=0,receipt=0; process guesti() 顧客i
{ wait(mutex); //count既用於判斷，也要修改，所以為臨界資源，用mutex管理互斥，但由於是分支結構，所以要在每個分支結構中注意離開count的臨界區時使用signal釋放臨界資源
if(count>N)// 沙發中已經坐滿客人N個和正在理髮的1位，沒有沙發，客人離開理髮店 {signal(mutex); exit shop; }
else
{ count=count+1;
if(count>1) //count>1，意味著原來理髮店裡有客人，所以不能坐理髮椅，需要坐到沙發上等待
{ signal（mutex）；
wait(sofa); //申請沙發，肯定能得到
sit on sofa;
wait(empty); //申請理髮椅，等不到阻塞，得到，則從沙發上站起，準備坐到理髮椅上
get up form sofa;
signal(sofa); //歸還沙發
}
else
{ signal（mutex）；
wait(empty); //count==1，意味著這個店裡只有這一個顧客，他不必要申請沙 發，直接申請理髮椅即可
}
sit on the baber_chair;
signal(full); //若理髮師阻塞，則喚醒理髮師，若未阻塞，則將full由0增1，理髮師申請理髮時即可通過
wait(cut); //測試理髮是否完成，沒有則阻塞
pay;
signal(payment); //若理髮師阻塞，則喚醒理髮師告知其已經付費，若未阻塞，則將paymentl由0增1，理髮師申請理要求付費時即可通過 wait(receipt); // //測試理髮師收費是否完成，沒有則阻塞
get up form the baber_chair; //理髮師收費完成，顧客離開理髮椅 signal(empty); //釋放理髮椅 wait(mutex); //對count 臨界資源操作，用mutex完成互斥 count=count-1;
signal(mutex);
exit shop; }
}
process barber( )
{ while(1)
{wait(full); //測試理髮椅上是否有顧客，無則阻塞
cut hair;
signal(cut); //告知顧客理髮完成
wait(payment); //測試顧客是否付費
accept pament;
signal(receipt); //告知顧客收費完
}
}
main( )
{cobegin
{ guesti();
Barber();
}
}