计算机操作系统教程--核心与设计原理习题5答案.pdf

习题 5 答案 习题习题 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.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()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。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();S5 S3 S6S7 S2 S4 S1 S1S3 S2S4S5S6S7 S8（a）（b）图 5.8 前趋图 S4();S5();S6();S7();coend语句形式如下:d S2()1);void S3()1);各个进程的void S1()voi V(f1);V(f1);P(f V(f2);V(f2);P(f V(f3);v4()2);voi2);v6()3);void S7()4);oid S P(f V(f4);d S5()P(f V(f5);oid S P(f V(f6);P(fP(f5);P(f6);)另一种做法：f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8 分别表示进程S2、S3、S4、S5、S6、S7、主如下:2()2);void S3()3);void S4()4);(b设 7 个同步信号量S8是否可以开始执行，其初值均为 0。semaphore f2=f3=f4=f5=f6=f7=f8=0；程序:略（类似 a）这 8 个进程的语句形式void S1()void S V(f2);V(f3);P(f V(f4);V(f5);P(f V(f6);V(f7);P(f V(f8);void S5()5);void S6()6);v7()7);void S8()8);P(f V(f8);P(f V(f8);oid S P(f V(f8);P(fP(f8);P(f8);P(f8);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5.何影响?答：生产者乱。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;样的。5.14什么要引入条件变量?种，为了区别它们，引入了为两个信号灯变量，下列八组 P、V 操作哪些可以同时进行?哪些不能)P(S1)，P(S2)(2)P(S1)，V(S2)答：能同时进行的及不同信号量，属于关于不用信号灯与 PV 操作给出解法。冲区next product;t to bufferin;in);消费者活动：);t from bufferout;out);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；售票员的活动 P2：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 画图说明管程由哪几部分组成?为答：图略。因为调用 wait 原语后，使进程等待的原因有多条件变量。5.15 设 S1 和 S2同时进行?为什么?(1(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)包括：(1)、(2)、(3)、(4)。这些操作涉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 P(mutex_in);Add the producin+;V(mutex_V(empty);while(1)P(empty);P(mutex_outTake the producout+;V(mutex_5.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；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;票员的活动 P2:while(1)5.18 考虑一只有一个理发师，只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，Cust觉时顾客进来需要唤醒理发师为其理客之间;客数，并用作阻塞理发师进程，初值为 0;顾客进程，初值为 0;客数 /为顾客准备的椅子数 tex=1;E);/理完一人,还有顾客吗?(cutomers);/若无顾客,理发师睡眠 个顾客理发 /进程互斥 f(waitingchairs)：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。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 关车门;V(start);售票;P(open);开车门;个理发店，有 N 张可供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omer()分别描述理发师和顾客的行为。当理发师睡发，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 02)信号量 customers 记录等候理发的顾3)信号量 barbers 记录正在等候顾客的理发师数，并用作阻塞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 int chairs=n；semaphore customers=0,barbers=0,mu barber()while(TRU P 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 V(mutex);/开放临界区 cut-hair();/正在理发 customer()P(mutex);i waiting=waiting+1;/等候顾客数加 1 /必要的话唤醒理发师 神 理发/(mutex);/人满了,走吧!点？适用于哪些场合？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。低级通信一般只传信则要己的地址空间中，不需要时则把它取消。其效率低，通信对用户不透则可弥补这些缺陷，用户可直接利sume，两个信箱的了数据时，它将数据作为消息发信箱 mayproduce*/lbox(mayconsume);V(customers);V(mutex);/开放临界区 P(barbers);/无理发师,顾客坐着养 get-haircut();/一个顾客坐下 else V 5.19 进程之间有哪些基本的通信方式？它们分别有什么特答：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，因为明，所有的操作都必须由程序员来实现。而高级通信工具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 maycon大小均为 N，即其中最多可以存放 N 条消息。当生产者生产送到信箱 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create_maifor(i=1;i=capacity;i+)send(mayproduce,null);cobegin producer();consumer();co pr)/*生产者进程*/息类型*/ayproduce,pmsg);/*等待空消息*/msg=produce();/*生产一条消息*/coner()/*消费者进程*/ile(true)yconsume,cmsg);onsume(cmsg);/*取出一条消息供消费*/5.22消息传递通信方式下：)发送进程和接收进程在通信过程中可以采用哪3种同步方式?接收进程(将接收到的数据存入 S)为例，说明当接可能各是多少M=10；MTOQ；接收进eSfromP；答：（1）发送进程阻塞，接收进程阻塞。送进程不阻塞，接收进程阻塞。(2)在Q 都必须等到对方执行完标号为 L1 的语句后才可以 X 只能为 11。来得及向 Q 发出第 2end oducer(message pmsg;/*message 为消while(true)receive(mpsend(mayconsume,pmsg);sum message cmsg;wh receive(macsend(mayproduce,null);在(1(2)试以下面给出的发送进程和收进程执行到标号为 L2 的语句时，采用这 3 种同步方式，X 的值?发送进程P：L1：sendL2：M=20；GotoLl；程Q：S=-100；L1：receivL2：X=S+1；发发送进程不阻塞，接收进程也不阻塞第 1 种同步方式下，无论进程 P 还是往下执行，S 的值一定为 M 的初值 10，所在第 2 种同步方式下，如果进程 P 先执行到标号为 L1 的语句，由于无需阻塞，仍可往下执行，而进程 Q 在执行到标号为 L1 的语句时，可能进程 P 尚未条消息，也可能进程 P 已经向 Q 发出了多条消息。在前一种情况下，S 的值为 10；在后一种情况下，S 的值为 20，故 X 的值可能为 11 或 21。在第 3 种同步方式下，如果进程 P 先执行到标号为 L1 的语句，由于无需阻塞，仍可往下执行，而进程 Q 在执行到标号为 L1 的语句时，可能进程 P 尚未来得及向 Q 发出第 1 条消息，也可能进程 P 已经向 Q 发出了一条或多条消息。在前一种情况下，S 的值为100；在中间一种情况下，S 的值为 10；在后一种情况下，S 的值为 20。故 X 的值可能为-99、11 或 21。