习题解答第4章.docx
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习题解答第4章
习题解答
第四章并发进程的同步与互斥
1、进程间同步和互斥的含义是什么?
答:
同步:
并发进程之间存在的相互制约和相互依赖的关系。
互斥:
若干进程共享一资源时,任何时刻只允许一个进程使用。
2、用文字描述银行家算法的基本思想?
答:
银行家算法的基本思想是:
将系统中的所有资源比做银行家的资金,每进行
一次资源的分配,银行家都要从当前的资源分配情况出发,计算这种分配方案的
安全性,如果是安全的,则进行分配,否则选择其它可能的分配方案。
这样,每
次分配都计算安全性,从而可以避免死锁的发生。
3、简述死锁的防止与死锁的避免的区别。
答:
死锁的防止是系统预先确定一些资源分配策略,进程按规定申请资源,系统按预先规定的策略进行分配,从而防止死锁的发生。
而死锁的避免是当进程提出资源申请时系统测试资源分配,仅当能确保系统安全时才把资源分配给进程,使系统一直处于安全状态之中,从而避免死锁。
4、试说明资源的静态分配策略能防止死锁的原因。
答:
资源静态分配策略要求每个进程在开始执行前申请所需的全部资源,仅在系统为之分配了所需的全部资源后,该进程才开始执行。
这样,进程在执行过程中不再申请资源,从而破坏了死锁的四个必要条件之一“占有并等待条件”,从而防止死锁的发生。
5、有三个进程P1,P2和P3并发工作。
进程P1需用资源S3和S1;进程P2需用资源S1和S2;进程P3需用资源S2和S3。
回答:
(1)若对资源分配不加限制,会发生什么情况?
为什么?
(2)为保证进程正确工作,应采用怎样的资源分配策略?
为什么?
答:
.
(1)可能会发生死锁
例如:
进程P1,P2和P3分别获得资源S3,S1和S2后再继续申请资源时都要等待(2分),这是循环等待。
(或进程在等待新源时均不释放已占资源)
(2)可有几种答案:
A.采用静态分配 由于执行前已获得所需的全部资源,故不会出现占有资源又等待别的资源的现象(或不会出现循环等待资源现象)。
或B.采用按序分配 不会出现循环等待资源现象。
或C.采用银行家算法 因为在分配时,保证了系统处于安全状态。
6、某车站售票厅,任何时刻最多可容纳20名购票者进入,当售票厅中少于20名购票者时,则厅外的购票者可立即进入,否则需在外面等待。
若把一个购票者看作一个进程,请回答下列问题:
(1)用PV操作管理这些并发进程时,应怎样定义信号量,写出信号量的初值以及信号量各种取值的含义。
(2)根据所定义的信号量,把应执行的PV操作填入适当,以保证进程能够正确地并发执行。
COBEGIN PROCESS PI(I=1,2,……)
begin ;
进入售票厅;
购票;
退出;
end;
COEND
(3)若欲购票者最多为n个人,写出信号量可能的变化范围(最大值和最小值)。
答:
.
(1)定义一信号量S,初始值为20。
意义:
S>0 S的值表示可继续进入售 票厅的人数
S=0 表示售票厅中已有20名顾 客(购票者)
S<0 |S|的值为等待进入售票 厅的人数
(2)P(S)
进入售票厅;
购票;
退出;
V(S)
(3)S的最大值为20
S的最小值为20-n
注:
信号量的符号可不同(如写成t),但使用时应一致(即上述的s全应改成t)。
7、假定系统有三个并发进程read,move和print共享缓冲器B1和B2。
进程read负责从输入设备上读信息,每读出一个记录后把它存放到缓冲器B1中。
进程move从缓冲器B1中取出一记录,加工后存入缓冲器B2。
进程print将B2中的记录取出打印输出。
缓冲器B1和B2每次只能存放一个记录。
要求三个进程协调完成任务,使打印出来的与读入的记录的个数,次序完全一样。
请用PV操作,写出它们的并发程序。
答:
beginSR,SM1,SM2,SP:
semaphore;
B1,B2:
record;
SR:
=1;SM1:
=0;SM2:
=1;SP:
=0
cobegin
processread
X:
record;
beginR:
(接收来自输入设备上一个记录)
X:
=接收的一个记录;
P(SR);
B1:
=X;
V(SM1);
gotoR;
end;
Processmove
Y:
record;
begin
M:
P(SM1);
Y:
=B1;
V(SR)
加工Y
P(SM2);
B2:
=Y;
V(SP);
gotoM;
end;
Processprint
Z:
record;
begin
P:
P(SP);
Z:
=B2;
V(SM2)
打印Z
gotoP;
end;
coend;
end;
8、某系统中有10台打印机,有三个进程P1,P2,P3分别需要8台,7台和4台。
若P1,P2,P3已申请到4台,2台和2台。
试问:
按银行家算法能安全分配吗?
请说明分配过程。
答:
系统能为进程P3分配二台打印机。
因为尽管此时10台打印机已分配给进程P14台,P22台和P34台,全部分配完,但P3已分配到所需要的全部4台打印机,它不会对打印机再提出申请,所以它能顺利运行下去,能释放占用的4台打印机,使进程P1,P2均可能获得乘余的要求4台和5台,按银行家算法是安全的。
9、有两个用户进程A和B,在运行过程中都要使用系统中的一台打印机输出计算结果。
(1) 试说明A、B两进程之间存在什么样的制约关系?
(2) 为保证这两个进程能正确地打印出各自的结果,请用信号量和P、V操作写出各自的有关申请、使用打印机的代码。
要求给出信号量的含义和初值。
答:
(1)A、B两进程之间存在互斥的制约关系。
因为打印机属于临界资源,必须一个进程使用完之后另一个进程才能使用。
(2)mutex:
用于互斥的信号量,初值为1。
进程A进程B
......
......
P(mutex)P(mutex)
申请打印机申请打印机
使用打印机使用打印机
V(mutex)V(mutex)
试以生产者—消费者问题说明进程同步问题的实质。
答:
一个生产者,一个消费者和一个产品之间关系是典型的进程同步问题。
设信号量S为仓库内产品,P-V操作配对进行缺一不可。
生产者进程将产品放人仓库后通知消费者可用;消费者进程在得知仓库有产品时取走,然后告诉生产者可继续生产。
10、请描述产生死锁的四个必要条件。
答:
互斥使用(资源独占)一个资源每次只能给一个进程使用
不可强占(不可剥夺)资源申请者不能强行的从资源占有者手中夺取资源,资源只能由占有者自愿释放
请求和保持(部分分配,占有申请)-一个进程在申请新的资源的同时保持对原有资源的占有(只有这样才是动态申请,动态分配)
循环等待-存在一个进程等待队列{P1,P2,…,Pn},其中P1等待P2占有的资源,P2等待P3占有的资源,…,Pn等待P1占有的资源,形成一个进程等待环路
11、两个并发执行的进程A和B的程序如下:
进程A
Repeat
N=N+5;
Untilfalse;
进程B
Repeat
打印N的值;
N=0;
Untilfalse;
其中N为整数,初值为4。
若进程A先执行了三个循环后,进程A和进程B又并发执行了一个循环,写出可能出现的打印值。
正确的打印值应该是多少?
请用P、V操作进行管理,使进程A和B并发执行时不会出现与时间有关的错误。
答:
因为N初值为4,若进程A先执行了三个循环,此时N的值为19。
当进程A和进程B并发执行时可能会有如下两种执行次序,即进程A先执行一次循环,然后再进程B执行一次循环,此时打印的是正确值24,执行后N中的值为0。
但若进程B先执行一次循环,然后再进程A执行一次循环,则打印的值是19,执行后N中的值是5。
这是错误的,即发生了与时间有关的错误。
用P、V操作进行管理,使进程A和B并发时不会出现与时间有关的错误的程序如下:
(S为互斥信号量,初值为1),
进程A
Repeat
P(S);
N=N+5;
V(S);
Untilfalse;
进程B
Repeat
P(S);
打印N的值;
N=0;
V(S);
Untilfalse;
12、四个进程P0,P1,P2,P3和四个信箱M0,M1,M2,M3进程间借助相邻的信箱传递消息:
每次从中取出一条消息,经加工送入中。
其中M0,M1,M2,M3分别设有3,3,2,2个格子,每个格子放一条消息,初始时,M0装满了三条消息,其余为空。
写出使用信号量实现进程(i=0,1,2,3)同步及互斥的流程。
答:
mutex0~mutex3:
分别用于控制互斥访问M0~M3,初值为1。
full0~full3:
分别用于控制同步访问M0~M3,其中full0初值为3,full1~full3初值为0,表示信箱中消息条数。
empty0~empty3:
分别用于同步控制对M0~M3的访问。
Empty0初值为0,empty2~empty3初值为2,empty1初值为3,分别用于表示信箱中空格子个数。
另用send(Mi,message)表示将消息送到(Mimod4)号信箱中;而用receive(Mi,message)表示接收已存在于(Mimod4)中的消息。
则使用信号量实现进程Pi(i=0,1,2,3)同步及互斥的流程如下:
mutex0,mutex1,mutex2,mutex3:
semaphore;
full0,full1,full2,full3:
semaphore;
empty0,empty1,empty2,empty3:
semaphore;
begin
mutex0:
=1; mutex1:
=1; mutex2:
=1; mutex:
=1;
full0:
=3; full1:
=0; full2:
=0; full3:
=0;
empty0:
=0; empty1:
=3; empty2:
=2; empty3:
=2;
Parbegin
P0:
begin
repeat
P(mutex0);
P(full0);
Receive(M0,message);
V(empty0);
Processingthemessageuntilfinished;
P(mutex1);
P(empty1);
Send(M1,message);
V(full1);
V(mutex1);
Untilfalse;
…
end;
P1:
{可类似于P0实现之};
P2:
{可类似于P0实现之};
P3:
{可类似于P0实现之};
Parend;
End;
13、设系统中仅有一类数量为M的独占型资源,系统中N个进程竞争该类资源,其中各进程对该类资源的最大需求量为W。
当M、N、W分别取下列值时,试判断哪些情况会发生死锁?
为什么?
① M=2,N=2,W=1 ②M=3,N=2,W=2 ③M=3,N=2,W=3
④M=5,N=3,W=2⑤M=6,N=3,W=3
答:
③可能会发生死锁。
只要一个进程占用了少于3个独占型资源而另一个进程占用了其余的独占型资源,两个进程都会相互处于等待对方进程释放资源的状态。
⑤也可能会发生死锁。
当每个进程都分配了两个资源时,3个进程都会彼此等待。
14、假定具有5个进程的进程集合P={P0,P1,P2,P3,P4},系统中有三类资源A,B和C。
其中A类资源有10个,B类资源有5个,C类资源有7个。
假定在某时刻有如下状态:
Allocation Max Available
A B C A B C A B C
P0 0 1 0 7 5 3 3 3 2
P1 2 0 0 3 2 2
P2 3 0 2 9 0 2
P3 2 1 1 2 2 2
P4 0 0 2 4 3 3
试给出Need,并说明当前系统是否处于安全状态,如果是,给出安全序列。
如果不是,说明理由。
答:
当前系统处于安全状态,安全序列如下求解:
work=Available=(3,3,2)
寻找 Needj<= work = (3,3,2)( j =0,1,2,3,4)
j=1 Need1=(1,2,2)<= (3,3,2)
work:
= (3,3,2)+(2,0,0)= (5,3,2)
寻找 Needj<= work = (5,3,2)( j =0,2,3,4)
j=3 Need3=(0,1,1)<= (5,3,2)
work:
= (5,3,2)+(2,1,1)=(7,4,3)
寻找 Needj<= work = (7,4,3)(j=0,2 ,4)
j=4 Need4=(4,3,1)<= (7,4,3)
work:
= (7,4,3)+(0,0,2)=(7,4,5)
寻找 Needj<= work = (7,4,5)(j=0,2)
j=2 Need2= (6,0,0)<= (7,4,5)
work:
= (7,4,5)+(3,0,2)= (10,4,7)
寻找 Needj<= work = (10,4,7)(j=0)
j=0 work:
= (10,4,7)+(0,1,0)=(10,5,7)
所以安全序列为<P1,P3,P4,P2,P0>(不止一个)。
例如:
<P1,P3,(P4,P2,P0)>、<P1,P4,(P4,P2,P3)>、<P3,P1,(P4,P2,P0)>
15、有一阅览室,读者进入时必须先在一张登记表上登记。
该表中每个表项代表阅览室中的一个座位。
读者离开时要消掉其登记信息。
阅览室共有50个座位。
登记表每次仅允许一位读者进行登记或注销。
读者登记时,发现登记表满,他在阅览室外等待,直至有空位再登记进入。
试用类Pascal语言和P、V操作,描述读者行为。
答:
Begin{initialvalueofSis50}
Parbegin
Begin{register}
P(S);
Registerandenterintothereadingroom;
End;
Begin{leaveoff}
Registeroffandleave;
V(S);
End;
End;
16、考虑一个共有150个存储单元的系统,如下分配给三个进程,P1最大需求70,己占有25;P2最大需求60,己占有40;P3最大需求60,己占有45。
使用银行家算法,以确定下面的任何一个请求是否安全。
(1)P4进程到达,P4最大需求60,最初请求25个。
(2)P4进程到达,P4最大需求60,最初请求35。
如果安全,找出所有的安全序列;如果不安全,给出结果分配情况。
答:
(1)由于系统目前还有150-25-40-45=40个单元,P4进程到达,把25个单元分给它。
这时系统还余15个单元,可把15个单元分给P3,它执行完后会释放60个单元。
于是可供P1(还要45个单元),P2(还要20个单元),P4(还要35个单元)任何一个执行。
安全序列为:
P1,P2,P3,P4,P3,P1,P2,P4
P1,P2,P3,P4,P3,P1,P4,P2
P1,P2,P3,P4,P3,P2,P1,P4
P1,P2,P3,P4,P3,P2,P4,P1
P1,P2,P3,P4,P3,P4,P1,P2
P1,P2,P3,P4,P3,P4,P2,P1
(2)P4进程到达,P4最大需求60,最初请求35。
如果把35个单元分给P4,系统还余5个单元,不再能满足任何一个进程的需求,系统进入不安全状态。
17、在一个盒子里,混装了数量相等的黑白围棋子。
现在用自动分拣系统把黑子、白子分开,设分拣系统有二个进程P1和P2,其中P1拣白子;P2拣黑子。
规定每个进程每次拣一子;当一个进程在拣时,不允许另一个进程去拣;当一个进程拣了一子时,必须让另一个进程去拣。
试写出两进程P1和P2能并发正确执行的程序。
答:
实质上是两个进程的同步问题,设信号量S1和S2分别表示可拣白子和黑子,不失一般性,若令先拣白子。
varS1,S2:
semaphore;
S1:
=1;S2:
=0;
cobegin
{
processP1
begin
repeat
P(S1);
拣白子
V(S2);
untilfalse;
end
processP2
begin
repeat
P(S2);
拣黑子
V(S1);
untilfalse;
end
}
coend.
18、系统有A、B、C、D共4种资源,在某时刻进程P0、P1、P2、P3和P4对资源的占有和需求情况如表,试解答下列问题:
Process
Allocation
Claim
Available
ABCD
ABCD
ABCD
P0
0032
0044
1622
P1
1000
2750
P2
1354
361010
P3
0332
0984
P4
0014
06610
(1)系统此时处于安全状态吗?
为什么?
(2)若此时P2发出request1(1、2、2、2),系统能分配资源给它吗?
为什么?
答:
(1)系统处于安全状态,存在安全序列:
P0,P3,P4,P1,P2
P0,P3,P1,P4,P2
P0,P3,P1,P2,P4
(2)不能分配,否则系统会处于不安全状态。
19、假设有32个存储区域,其编号为0,1,…,31,用一个32位的标志字,位号也是0,1,…31,分别描述32个存储区域使用状态:
当某一位为1时,表示对应存储区域已分配,若为0,表示对应存储区域空闲。
get进程:
负责存储区域分配,每次分配一个区域,找出标志字某为0的位置成1。
put进程:
负责存储区域回收,把回收存储区域标志字对应位清成0。
要求:
(1)分析get进程与put进程的具体同步关系。
答:
get进程分配完32.个存储区域后,再执行分配时必须等待put进程回收区域,而put进程无须等待分配进程get;get与put共享32位的标志字,它们必须互斥访问
(2)采用PV操作同步工具,写出get进程与put进程的同步算法(可用流程图描述,但信号量名称、作用、初值必须说明。
)
答:
mutex是互斥信号量,初值是1,对32位标志字进行保护;
S是标志字的同步信号量,初值为32,表示系统开始时32个区域均空闲,可供分配。
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