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习题5答案习题55.1 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.value0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.value0, 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 ( ) cobeginPn ( ) /*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。S5S3S6S7S2S4S2S3S1S1S8S5S6S7S4（a）（b）图5.8前趋图答：(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 ( ) cobeginS1();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 S2() P(f1);V(f2);V(f2); void S3() P(f1);V(f3);void S4() P(f2);V(f4);void S5() P(f2);V(f5);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 S2() P(f2);V(f4);V(f5); void S3() P(f3);V(f6);V(f7);void S4() P(f4);V(f8);void S5() P(f5);V(f8);void S6() P(f6);V(f8);void S7() P(f7);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：while(1)produce next product;P(mutex_in);Add the product to bufferin;in+;V(mutex_in);V(empty);消费者活动：while(1)P(empty);P(mutex_out);Take the product from bufferout;out+;V(mutex_out);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:while(1) P(start);启动车辆;正常行车;到站停车;V(open);售票员的活动P2:while(1) 关车门;V(start);售票;P(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 (waitingchairs) waiting= waiting+1; / 等候顾客数加1 V(customers); /必要的话唤醒理发师 V(mutex); /开放临界区 P(barbers); /无理发师, 顾客坐着养神 get-haircut( ); /一个顾客坐下理发/ else V(mutex); /人满了,走吧!5.19 进程之间有哪些基本的通信方式？它们分别有什么特点？适用于哪些场合？答：进程通信根据交换信息量的多少分为高级通信和低级通信。低级通信一般只传送一个或几个字节的信息，以达到控制进程执行速度的作用（如PV操作）；高级通信则要传送大量数据，目的不是为了控制进程的执行速度，而是为了交换信息。高级进程通信方式有很多种，大致可归并为三类：共享存储器、管道文件和消息传递。共享存储器：在内存种分配一片空间作为共享存储区。需要进行通信的进程把它附加到自己的地址空间中，不需要时则把它取消。管道文件：它是连接两个命令的一个打开文件。一个命令向该文件中写入数据，为写者；另一个命令从该文件中读出数据，为读者。消息传递：它以消息为单位在进程间进行数据交换。5.20 试比较进程间的低级通信工具与高级通信工具。答：用户用低级通信工具实现进程通信很不方便，因为其效率低，通信对用户不透明，所有的操作都必须由程序员来实现。而高级通信工具则可弥补这些缺陷，用户可直接利用操作系统所提供的一组通信命令，高效地传送大量的数据。5.21 试用信箱通信方式解决生产者消费者问题。答：在本题解决方案中，使用了两个信箱mayproduce和mayconsume，两个信箱的大小均为N，即其中最多可以存放N条消息。当生产者生产了数据时，它将数据作为消息发送到信箱mayconsume，只要该信箱中有一条消息，消费者就可以开始消费。信箱mayproduce最初填满了空消息，空消息的条数等于信箱的容量与mayconsume信箱中消息条数之差(其作用类似于用信号量机制解决生产者一消费者问题中的empty)。当生产者向消费者发送一条消息时，mayproduce信箱中的消息条数减少，mayconsume信箱中的消息条数增加；当消费者接收一条消息时，mayconsume信箱中的消息条数减少，而mayproduce信箱中的消息条数增加。系统中的消息总条数保持不变。const int capacity=N; /*N为信箱容量*/ null=.; /*这里“.”为空消息*/int i;main( ) /*主程序*/create_mailbox(mayproduce); /*创建信箱 mayproduce*/create_mailbox(mayconsume);for(i=1; i=capacity; i+) send(mayproduce, null);cobegin producer( );consumer();coend producer( ) /*生产者进程*/message pmsg; /* message 为消息类型*/while (true)receive(mayproduce, pmsg); /*等待空消息*/ pmsg=produce(); /*生产一条消息*/ send(mayconsume, pmsg);consumer( ) /*消费者进程*/ message cmsg;while (true)receive(mayconsume, cmsg);consume(cmsg); /*取出一条消息供消费*/send(mayproduce