同步示例解析

### 同步示例解析 #### 1. 经典同步问题概述 在并发编程中，存在许多同步问题，这些问题被广泛用于测试新的同步方案。下面将介绍几个经典的同步问题。 #### 2. 有界缓冲区问题 有界缓冲区问题常被用于展示同步原语的强大功能。在这个问题中，生产者和消费者进程共享以下数据结构： ```plaintext int n; semaphore mutex = 1; semaphore empty = n; semaphore full = 0 ``` 这里假设缓冲区池由 `n` 个缓冲区组成，每个缓冲区能容纳一个项目。`mutex` 二元信号量用于对缓冲区池的访问提供互斥，初始值为 1。`empty` 和 `full` 信号量分别统计空缓冲区和满缓冲区的数量，`empty` 初始值为 `n`，`full` 初始值为 0。 生产者进程的代码如下： ```plaintext while (true) { ... /* produce an item in next produced */ ... wait(empty); wait(mutex); ... /* add next produced to the buffer */ ... signal(mutex); signal(full); } ``` 消费者进程的代码如下： ```plaintext while (true) { wait(full); wait(mutex); ... /* remove an item from buffer to next consumed */ ... signal(mutex); signal(empty); ... /* consume the item in next consumed */ ... } ``` 可以看到生产者和消费者的代码具有对称性，生产者为消费者生产满缓冲区，消费者为生产者生产空缓冲区。 #### 3. 读者 - 写者问题 假设有一个数据库要被多个并发进程共享，有些进程只需要读取数据库（读者），而有些进程需要更新数据库（写者）。如果两个读者同时访问共享数据，不会产生不良影响，但如果写者和其他进程（读者或写者）同时访问数据库，可能会导致混乱。 读者 - 写者问题有多种变体，主要涉及优先级。第一种读者 - 写者问题要求，除非写者已经获得使用共享对象的权限，否则不应让读者等待。第二种读者 - 写者问题要求，一旦写者准备好，应尽快执行写操作。 解决这两个问题都可能导致饥饿现象。下面给出第一种读者 - 写者问题的解决方案，读者进程共享以下数据结构： ```plaintext semaphore rw mutex = 1; semaphore mutex = 1; int read count = 0; ``` `mutex` 和 `rw mutex` 二元信号量初始值为 1，`read count` 计数信号量初始值为 0。`rw mutex` 信号量供读者和写者进程共同使用，`mutex` 信号量用于在更新 `read count` 变量时确保互斥。 写者进程的代码如下： ```plaintext while (true) { wait(rw mutex); ... /* writing is performed */ ... signal(rw mutex); } ``` 读者进程的代码如下： ```plaintext while (true) { wait(mutex); read count++; if (read count == 1) wait(rw mutex); signal(mutex); ... /* reading is performed */ ... wait(mutex); read count--; if (read count == 0) signal(rw mutex); signal(mutex); } ``` 读者 - 写者问题的解决方案在一些系统中被推广为读者 - 写者锁。当进程只需要读取共享数据时，以读模式请求锁；当进程需要修改共享数据时，以写模式请求锁。多个进程可以同时以读模式获取锁，但写操作需要独占访问。 读者 - 写者锁在以下情况最有用： - 在容易区分哪些进程只读取共享数据，哪些进程只写入共享数据的应用中。 - 在读者多于写者的应用中。因为读者 - 写者锁通常比信号量或互斥锁需要更多的开销来建立，但允许多个读者同时访问带来的并发增加可以补偿设置锁的开销。 #### 4. 哲学家就餐问题 有五位哲学家围坐在圆桌旁，中间放着一碗米饭，桌上有五根筷子。哲学家要么思考，要么吃饭。当哲学家饥饿时，会尝试拿起左右两边的筷子，只有同时拿到两根筷子才能吃饭，吃完后放下筷子继续思考。 这个问题是经典的同步问题，它代表了一大类并发控制问题，即如何在无死锁和无饥饿的情况下为多个进程分配多个资源。 ##### 4.1 信号量解决方案 一种简单的解决方案是用信号量表示每根筷子。哲学家通过对信号量执行 `wait()` 操作来拿起筷子，通过执行 `signal()` 操作来放下筷子。共享数据如下： ```plaintext semaphore chopstick[5]; ``` 其中 `chopstick` 的所有元素初始值为 1。哲学家 `i` 的代码如下： ```plaintext while (true) { wait(chopstick[i]); wait(chopstick[(i+1) % 5]); ... /* eat ```