习题5答案
习题5
5.1 何谓与时间有关的错误?举例说明之。
答：并发进程的执行实际上是进程活动的某种交叉，某些交叉次序可能得到错误结果。由于具体交叉的形成与进程的推进速度有关，而速度是时间的函数，因而将这种错误称为与时间有关的错误。例子略。 5.2 什么是临界资源？什么是临界区？
答：一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源；在每个进程中，访问临界资源的那段程序称为临界区。
5.3 试分析临界区的大小与系统并发性之间的关系。
答：关于同一组变量的临界区是不能并发执行的代码，临界区越大，并发性越差，因而编写并发程序应尽量缩小临界区域范围。
5.4 为何开关中断进程互斥方法仅在单CPU系统中是有效的？
答：关中断方法不适用于多CPU系统，因为关中断只能保证CPU不由一个进程切换到另外一个进程，从而防止多个进程并发地进入公共临界区域。但即使关中断后，不同进程仍可以在不同CPU上并行执行关于同一组共享变量的临界区代码. 5.5 进程的互斥和同步有什么异同点？
答：进程的同步和互斥是指进程在推进时的相互制约关系。
进程同步源于进程合作，是进程间共同完成一项任务是直接发生相互作用的关系。是进程之间的直接制约关系。进程互斥源于对临界资源的竞争，是进程之间的间接制约关系。
5.6 试说明进程互斥、同步和通信三者之间的关系。
答：进程的同步和互斥是指进程在推进时的相互制约关系，已经在上题中给出了详细的解答。
由于进程间存在制约关系，为了保证进程的正确运行以及相互合作进程间的信息交换，就需要进程之间进行通信。进程通信是指进程间的信息交换，分为高级通信和低级通信，高级通信以较高的效率传送大批数据。进程之间的互斥与同步也是一种通信，由于交换的信息量很小，因此这种进程通信称为低级进程通信。 5.7 同步机构应遵循哪些基本准则?
答：a.空闲让进. b.忙则等待. c.有限等待. d.让权等待.
5.8 试从物理概念上说明信号量P、V操作的含义。
答：P(S)表示申请一个资源，S.value>0表示有资源可用,其值为资源的数目；S.value=0表示无资源可用；S.value<0, 则|S.value|表示S等待队列中的进程个数。V(S)表示释放一个资源，信号量的初值应该大于等于0。
5.9 由V操作唤醒的进程是否一定能够直接进入运行状态?举例说明之。
答：否。一般来说，唤醒是将进程状态由等待状态变成就绪状态，而就绪进程何时获得处理机则是由系统的处理机调度策略确定的。如果采用抢占式优先级调度算法，并且被唤醒的进程是当前系统中优先级最高的进程，那么该进程将被调度执行，其状态变成运行态。如果该进程不是系统中优先级最高的进程或系统采用其它调度算法，那么该进程不会被调度执行，其状态将维持在就绪态。
5.10 我们为某临界区设置一把锁W，当W=1时，表示关锁;W=0时，表示锁打开。试写
出开锁原语和关锁原语，并利用它们去实现互斥。 答：开锁原语:
void unlock(W) { W=0; }
关锁原语:
void lock(W)
{while (W==1) { }; W=1; }
利用开关锁原语实现互斥: semaphore W=0; main ( ) { cobegin
Pn ( ) /*并发的进程P1、P2、……Pn */ { lock(W); 临界区; unlock(W); 其余部分; } …… coend }
5.11 试写出相应的程序来描述图5.8所示的前趋图。
S1 S2 S2 S1 S3 S3 S5 S4 S6 S4 S5 S6 S7 S7 （a）
图5.8前趋图
S8 （b）
答：(a)设6个同步信号量f1、f2、f3、f4、f5、f6分别表示进程S1、S2、S3、S4、S5、S6是否执行完成，其初值均为0。这7个进程的同步描述如下： 主程序如下:
semaphore fl=f2=f3=f4=f5=f6=0； main ( ) { cobegin
S1(); S2(); S3();
S4(); S5(); S6(); S7(); coend }
各个进程的语句形式如下:
void S1() { …… V(f1); V(f1); } void S4() { P(f2); …… V(f4); } void S2() { P(f1); …… V(f2); V(f2); } void S5() { P(f2); …… V(f5); } void S3() { P(f1); …… V(f3); } void S6() { P(f3); …… V(f6); } void S7() { P(f4); P(f5); P(f6); …… }
(b)另一种做法：
设7个同步信号量f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8分别表示进程S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8是否可以开始执行，其初值均为0。 semaphore f2=f3=f4=f5=f6=f7=f8=0； 主程序:略（类似a）
这8个进程的语句形式如下: void S1() { …… V(f2); V(f3); } void S5() { P(f5); …… V(f8); } void S2() { P(f2); …… V(f4); V(f5); } void S6() { P(f6); …… V(f8); } void S3() { P(f3); …… V(f6); V(f7); } void S7() { P(f7); …… V(f8); } void S4() { P(f4); …… V(f8); } void S8() { P(f8); P(f8); P(f8); P(f8); …… }
5.12 在生产者一消费者问题中，如果缺少了V（full)或V（empty），对执行结果会有
何影响?
答：生产者可以不断地往缓冲池送消息，如果缓冲池满，会覆盖原有数据，造成数据混乱。而消费者始终因P(full)操作将消费进程直接送入进程链表进行等待，无法访
问缓冲池，造成无限等待。
5.13 在生产者一消费者问题中，如果将两个P操作即P（full）和P(mutex)互换位置;
或者是将V（full）和V(mutex)互换位置，结果会如何？ 答：a.容易造成死锁。
b．从逻辑上来说应该是一样的。
5.14 画图说明管程由哪几部分组成?为什么要引入条件变量?
答：图略。因为调用wait原语后，使进程等待的原因有多种，为了区别它们，引入了条件变量。
5.15 设S1和S2为两个信号灯变量，下列八组P、V操作哪些可以同时进行?哪些不能
同时进行?为什么?
(1) P(S1)，P(S2) (2) P(S1)，V(S2) (3) V(S1)，P(S2) (4) V(S1)，V(S2) (5) P(S1)，P(S1) (6) P(S2)，V(S2) (7) V(S1)，P(S1) (8) V(S2)，V(S2)
答：能同时进行的包括：(1)、(2)、(3)、(4)。这些操作涉及不同信号量，属于关于不同组共享变量的临界区。不能同时进行的包括：(5)、(6)、(7)、(8)。这些操作涉及相同的信号量，属于关于同一组共享变量的临界区。 5.16 对于生产者—消费者问题，假设缓冲区是无界的，试用信号灯与PV操作给出解法。
答：由于是无界缓冲区，所以生产者不会因得不到缓冲区而被阻塞，不需要对空缓冲区进行管理，可以去掉在有界缓冲区中用来管理空缓冲区的信号量及其PV操作。 Semaphore mutex_in=1; Semaphore mutex_out=1; Semaphore empty=0; int in=0, out=0;
生产者活动： 消费者活动： while(1){ while(1){ produce next product; P(empty); P(mutex_in); P(mutex_out);
Add the product to buffer[in]; Take the product from buffer[out]; in++; out++; V(mutex_in); V(mutex_out); V(empty); } }
5.17 试用信号灯与PV操作实现司机与售票员之间的同步问题。设公共汽车上有一个司
机和一个售票员，其活动如下图所示. 司机的活动P1： While（1） { 启动车辆； 正常行车； 到站停车； } 售票员的活动P2： While（1） { 关车门； 售票； 开车门； } 为了安全起见，显然要求:(1)关车门后方能启动车辆；(2)到站停车后方能开车门。
答：定义两个信号量，一个信号量start表示是否允许司机启动车辆，另一个信号量open表示是否允许售票员开车门。初始状态是车停在始发站，车门开着，等待乘客上车。因此，两个信号量的初值都是0。
semaphore start=0; semaphore open=0; 司机的活动P1: 售票员的活动P2: while(1) while(1) { P(start); { 关车门; 启动车辆; V(start); 正常行车; 售票; 到站停车; P(open); V(open); 开车门; } }
5.18 考虑一个理发店，只有一个理发师，只有N张可供顾客等待理发的椅子，如果没
有顾客，则理发师睡觉；如果有一顾客进入理发店发现理发师在睡觉，则把他叫醒，试用信号量设计一个协调理发师和顾客的程序。
答：题目中要求描述理发师和顾客的行为，因此需要两类进程Barber ()和
Customer()分别描述理发师和顾客的行为。当理发师睡觉时顾客进来需要唤醒理发师为其理发，当有顾客时理发师为其理发，没有的时候理发师睡觉，因此理发师和顾客之间是同步的关系，由于每次理发师只能为一个人理发，且可供等侯的椅子有限只有n个，即理发师和椅子是临界资源，所以顾客之间是互斥的关系。
引入3个信号量和一个控制变量：
1)控制变量waiting记录等候理发的顾客数，初值均为0;
2)信号量customers记录等候理发的顾客数，并用作阻塞理发师进程，初值为0; 3)信号量barbers记录正在等候顾客的理发师数，并用作阻塞顾客进程，初值为0; 4)信号量mutex用于互斥，初值为1. PV操作代码如下:
int waiting=0； //等候理发的顾客数 int chairs=n； //为顾客准备的椅子数
semaphore customers=0, barbers=0,mutex=1; barber() {
while(TRUE); //理完一人,还有顾客吗? P(cutomers); //若无顾客,理发师睡眠 P(mutex); //进程互斥
waiting = waiting-1; //等候顾客数少一个
V(barbers); //理发师去为一个顾客理发 V(mutex); //开放临界区 cut-hair( ); //正在理发
}
customer()
{
P(mutex); //进程互斥 if (waiting