操作系统习题答案第3.docx

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操作系统习题答案第3

CH3应用题参考答案

1、有三个并发进程：

R负责从输入设备读入信息块，M负责对信息块加工处理；P负责打印输出信息块。

今提供；

l）一个缓冲区，可放置K个信息块；

2）二个缓冲区，每个可放置K个信息块；

试用信号量和P、V操作写出三个进程正确工作的流程。

答：

1）varB:

array[0,k-1]ofitem;

sread:

semaPhore:

=k;

smanage:

semaPhore:

=0;

swrite:

semaphore:

=0;

rptr:

integer:

=O;

mptr:

integer:

=O;

wptr：

integer:

=0;

x:

item

cobegin

processreader;processmanager;processwriter;

beginbeginbegin

LI:

readamessageintox;L2:

P（smanage）;L3:

P（swnte）;

P（sread）;x:

=B[mptr];x:

=B[swrite];

B[rptr]:

=x;mptr:

=（mptr+1）modk;wptr:

=（wptr+1）modk;

Rptr:

=（rptr+1）modk;managethemessageinx;V（sread）;

V（smanage）;B[mptr]:

=x;printthemessageinx;

GotoL1;V（swrite）;gotoL3;

End;gotoL2;end;

End;

coend

2）varA,B:

array[0,k-l]ofitem;

sPut1:

semaphore:

=k;

SPut2:

semaPhore:

=k;

sget1:

semaPhore:

=0;

sget2:

semaphore:

=0;

put1：

integer：

=O;

put2：

integer:

=0;

get1：

integer：

=O;

get2:

integer:

=O;

cobegin

processreader;processnmanager;processWriter;

beginbeginbegin

Ll:

readamessageintox;L2:

P（sgetl）;L3:

P（sgetZ）;

P（SPut1）;x:

=A[get1];x:

=B[get2];

A[put1]:

=x;get1：

（get1+1）modk;get2:

=（get2+l）modk;

Put1:

=（put1+1）modk;V（sput1）;V（sput2）;

V（sget1）;managethemessageintox;printthemessageinx;

GotoL1;P（sput2）;gotoL3;

Put2:

=（put2+1）modk;

V（sget2）;

GotoL2;

End;

Coend

2设有n个进程共享一个互斥段，如果：

（1）每次只允许一个进程进入互斥段；

（2）每次最多允许m个进程（m簇n）同时进入互斥段。

试问：

所采用的信号量初值是否相同？

信号量值的变化范围如何？

答：

所采用的互斥信号量初值不同。

1）互斥信号量初值为1，变化范围为［-n＋l,1］。

当没有进程进入互斥段时，信号量值为1；当有1个进程进入互斥段但没有进程等待进入互斥段时，信号量值为O；当有1个进程进入互斥段且有一个进程等待进入互斥段时，信号量值为-1；最多可能有n-1个进程等待进入互斥段，故此时信号量的值应为-（n-1）也就是-n+1。

2）互斥信号量初值为m，变化范围为［-n＋m,m］。

当没有进程进入互斥段时，信号量值为m；当有1个进程进入互斥段但没有进程等待进入互斥段时，信号量值为m-1：

当有m个进程进入互斥段且没有一个进程等待进入互斥段时，信号量值为0：

当有m个进程进入互斥段且有一个进程等待进入互斥段时，信号量值为一l；最多可能有n-m个进程等待进入互斥段，故此时信号量的值应为-（n-m）也就是-n+m.

3有两个优先级相同的进程P1和P2，各自执行的操作如下，信号量S1和S2初值均为0。

试问Pl、P2并发执行后，x、y、z的值各为多少？

P1:

P2:

Beginbegin

Y:

=1;x:

=1;

Y:

=y+3;x:

=x+5;

V（S1）;P（S1）;

Z:

=Y+1;X:

X+Y;

P（s2）;V（S2）;

Y:

=z+y;z:

=z+x;

Endend

答：

现对进程语句进行编号，以方便描述．

P1:

P2:

beginbegin

y:

=1；①x:

=1;⑤

y:

=y+3；②x：

x+5;⑥

V（S1）;P（S1）;

Z:

Y+1；③x：

X＋Y;⑦

P（s2）;V（S2）;

Y:

=z+y;④z：

=Z+X；⑧

Endend

①、②、⑤和⑥是不相交语句，可以任何次序交错执行，而结果是唯一的。

接着无论系统如何调度进程并发执行，当执行到语句⑦时，可以得到x=10,y=4。

按Bernstein条件，语句③的执行结果不受语句⑦的影响，故语句③执行后得到z=5。

最后，语句④和⑧并发执行，这时得到了两种结果为：

语句④先执行：

x=10,y=9,z=150

语句⑧先执行：

x=10,y=19,z=15

此外，还有第三种情况，语句③被推迟，直至语句⑧后再执行，于是依次执行以下三个语句：

7：

二z+X:

z:

=y+1;

y:

＝Z十y;

这时z的值只可能是y＋1=5，故y=Z＋Y=5+4=9，而x=10。

第三种情况为：

x=10，Y=9,Z=5。

4有一阅览室，读者进入时必须先在一张登记表上登记，该表为每一座位列出一个表目，包括座号、姓名，读者离开时要注销登记信息；假如阅览室共有100个座位。

试用：

l）信号量和P、V操作；2）管程，来实现用户进程的同步算法。

答：

1）使用信号量和P、v操作：

varname：

array[l…100]ofA;

A=record

number：

integer;

name：

string;

end

fori:

=1to100do{A[i].number：

i；A[i].name:

null;}

mutex,seatcount:

semaphore;

i:

integer；mutex:

=l;seatcount:

=100;

cobegin

{

processreaderi（varreadename：

string）（i=1,2…）

{

P（seatcount）;

P（mutex）;

fori:

=1to100doi++

ifA[i].name＝nullthenA[i].name：

readername；

readergettheseatnumber=i；/*A[I].number

V（mutex）

进入阅览室，座位号i，座下读书；

P（mutex）;

A[i]name：

null;

V（mutex）;

V（seatcount）;

离开阅览室；

}

}

coend

2）使用管程操作：

TYPEreadbook=monitor

VARR:

condition;

I,seatcount：

integer;

name：

array[l:

100]ofstring;

DEFINErcadercome,readerleave;

USEcheck,wait,signal,release;

Procedurereadercome（readername）

begin

check（IM）;

ifseatcount≥100wait（R,IM）

seatcount:

=seatcount+1;

fori=1to100doi++

ifname[i]==nullthenname[i]:

=readername;

gettheseatnumber=i;

release（IM）;

end

procedurereaderleave（readername）

begin

check（IM）;

seatcount--;

fori=1to100doi++

ifname［i］readernamethenname［i］:

null;

release（IM）;

end

begin

seatcount:

=1OO;name:

＝null;

end

cobegin

{

processreaderi（i=1,2．…）

begin

readercome（readername）;

readthebook;

readerleave（readername）;

leavethereadroom;

end

}

coend.

5.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1：

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:

=l;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.

答2:

TYPEpickup-chess=MONITOR

VARflag:

boolean;

S-black,s-white:

codition;

DEFINEpickup-black,pickup-white;

USEwait,signal,check,release;

procedurepickup-black;

begin

check（IM）;

ifflagthenwait（s-black,IM）;

flag:

＝true;

pickupablack;

signal（S-white,IM）;

release（IM）;

end

procedurepickup-white;

begin

check（IM）;

ifnotflagthenwait（S-white,IM）;

flag:

=false;

pickupawhite;

signal（S-black,IM）;

release（IM）;

end

begin

flag:

=true;

end

main（）

{cobegin

process-B（）;

process-W（）;

coend

}

process-B（）

begin

pickup-chess.pickup-black（）;

other;

end

process-W（）

begin

pickup-chess.pickup-white（）;

other;

end

6管程的同步机制使用条件变量和wait及signal，尝试为管程设计一种仅仅使用一个原语操作的同步机制。

答：

可以采用形如waituntil＜条件表达式＞的同步原语。

如waituntil（numbersum+number

7设公共汽车上，司机和售票员的活动分别如下：

司机的活动：

启动车辆：

正常行车；到站停车。

售票员的活动：

关车门；售票；开车门。

在汽车不断地到站、停车、行驶过程中，这两个活动有什么同步关系？

用信号量和P、V操作实现它们的同步。

答：

在汽车行驶过程中，司机活动与售票员活动之间的同步关系为：

售票员关车门后，向司机发开车信号，司机接到开车信号后启动车辆，在汽车正常行驶过程中售票员售票，到站时司机停车，售票员在车停后开门让乘客上下车。

因此，司机启动车辆的动作必须与售票员关车门的动作取得同步；售票员开车门的动作也必须与司机停车取得同步。

应设置两个信号量：

S1、S2;S1表示是否允许司机启动汽车（其初值为0）;S2表示是否允许售票员开门（其初值为0）。

用P、v原语描述如下：

varS1,S2:

semaphore;

S1=0；S2=0；

cobegin

{

driver（）;

busman（）;

}

coend

driver（）

begin

while

（1）{

P（S1）

启动车辆；正常行车；到站停车；

V（S2）;

}

end

busman（）

begin

while

（1）{

关车门；

V（51）

售票;

P（S2）

开车门；

上下乘客；

}

end

8、一个快餐厅有4类职员：

（l）领班：

接受顾客点菜；

（2）厨师：

准备顾客的饭菜；（3）包工：

将做好的饭菜打包；（4）出纳员：

收款并提交食品。

每个职员可被看作一个进程，试用一种同步机制写出能让四类职员正确并发运行的程序。

答：

典型的进程同步问题，可设四个信号量51、S2、S3和S4来协调进程工作。

varS1,S2,S3,S4:

semaphore;

S1:

=1;S2：

=S3:

=S4:

=0;

cobegin

{processP1

begin

repeat

有顾客到来；

P（S1）；

接受顾客点菜；

V（52）；

untilefalse；

end

processP2

begin

repeat

P（S2）;

准备顾客的饭菜；

v（S3）;

untilefalse;

end

processP3

begin

repeat

P（S3）;

将做好的饭菜打包；

V（S4）;

untilefalse;

end

processP4

begin

repeat

P（54）;

收款并提交食品；V（51）;

ufltilefalse;

end

}

coend.

9、在信号量S上作P、v操作时，S的值发生变化，当S>0、S=0、S<0时，它们的的物理意义是什么？

答：

S的值表示它代表的物理资源的使用状态：

S>0表示还有共享资源可供使用。

S阅表示共享资源正被进程使用但没有进程等待使用资源。

S<0表示资源已被分配完，还有进程等待使用资源。

10

（1）两个并发进程并发执行，其中，A、B、C、D、E是原语，试给出可能的并发执行路径。

ProcessPProcessQ

beginbegin

A;D;

B;E;

C;end:

end;

（2）两个并发进程P1和P2并发执行，它们的程序分别如下：

P1P2

repeatrepeat

k:

=k×2;printk;

k:

=k+1;k:

=0;

untilfalse;untilfalse;

若令k的初值为5，让P1先执行两个循环，然后，P1和P2又并发执行了一个循环，写出可能的打印值，指出与时间有关的错误。

答：

（1）共有10种交错执行的路径：

A、B、C、D、E;A、B、D、E、C;A、B、D、C、E;

A、D、B、E、C;A、D、B、C、E;A、D、E、B、C;

D、A、B、E、C;D、A、B、C、E;D、A、E、B、C;D、E、A、B、C。

（2）把语句编号，以便于描述：

P1P2

repeatrepeat

k:

=k×2；①printk；③

k:

=k+l；②k:

=0；④

untilfalse;untilfalse;

l）K的初值为5，故P1执行两个循环后，K=23。

2）语句并发执行有以下情况：

①、②、③、④，这时的打印值为：

47

③、④、①、②，这时的打印值为：

23

①、③、②、④，这时的打印值为：

46

①、③、④、②，这时的打印值为：

46

③、①、②、④，这时的打印值为：

23

③、①、④、②，这时的打印值为：

23

由于进程P1和P2并发执行，共享了变量K，故产生了‘结果不唯一’。

11证明信号量与管程的功能是等价的：

（l）用信号量实现管程；

（2）用管程实现信号量。

答：

（1）用信号量实现管程；

Hoare是用信号量实现管程的一个例子，详见课文内容。

下面介绍另一种简单方法：

每一个管程都对应一个mutex，其初值为1，用来控制进程互斥调用管程。

再设一个初值为0的信号量，用来阻塞等待资源的进程。

相应的用信号量实现的管程库过程为：

Varmutex,c:

semaphore;

mutex:

=1;c:

=0;

voidenter-monitor（）/*进入管程代码，保证互斥

P（mutex）;

}

voidleave-monitor-normally（）/*不发信号退出管程

{

V（mutex）;

}

voidleave-with-sigal（c）/*在条件c上发信号并退出管程，释放一个等待c条件的进程。

｛注意这时没有开放管程，因为刚刚被释放的进程己在管程中。

V（c）;

}

voidwait（c）/*等待条件c，开放管程

{

V（mutex）;

P（c）;

}

（2）用管程实现信号量。

TYPEsemaphore=monitor

VARS;condition;

C:

integer;

DEFINEP,V;

USEcheck,wait,signal,release;

procedureP

begin

check（IM）;

C:

=C-1:

ifC<0thenwait（S,IM）;

release（IM）;

end

procedureV

begin

check（IM）:

C:

=C+1;

ifC≤0thensignal（S,IM）;

release（IM）;

end

begin

C:

=初值;

End.

12证明消息传递与管程的功能是等价的：

（1）用消息传递实现管程；

（2）用管程实现消息传递。

答：

（1）用消息传递实现管程；

用消息传递可以实现信号量（见13

（2）），用信号量可以实现管程（见11

（1）），那么，把两种方法结合起来，就可以用用消息传递实现管程。

（2）用管程实现消息传递。

TYPEmailbox=monitor

VARr,k,count:

integer;

buffer：

array[0…n-1]ofmessage;

full,empty:

condition;

DEFINEadd,get;

USEcheck,wait,signal,release;

procedureadd（r）;

begin

check（IM）;

ifcount=nthenwait（full,IM）;

buffer[r]:

=message;

r:

＝（r+1）modn

count:

=count+1;

ifcount=1thensighal（empty,IM）;

release（IM）;

end

procedureget（m）;

begin

check（IM）;

ifcount=0thenwait（empty,IM）;

m:

=buffer[k」；

count:

=count-1;

ifcount＝n-1thensignal（full,IM）;

release（IM）;

end

begin

r:

=0;k:

=0;count:

=0;

end

13证明信号量与消息传递是等价的：

（1）用信号量实现消息传递；

（2）用消息传递实现信号量。

答：

（l）用信号量实现消息传递；

1）把消息队列组织成一个共享队列，用一个互斥信号量管理对该队列的入队操作和出队操作.

2）发送消息是一个入队操作，当队列存储区满时，设计一个同步信号量阻塞send操作。

3）接收消息是一个出队操作，当队列存储区空时，设计另一个同步信号量阻塞receive操作。

（2）用消息传递实现信号量。

l）为每一个信号量建立一