【操作系统-进程】PV操作——吸烟者问题

吸烟者问题

假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者不停地卷烟并抽掉，但是要卷起并抽掉一支烟，抽烟者需要三种材料：烟草、纸和胶水。三个抽烟者中，第一个拥有烟草，第二个拥有纸，第三个拥有胶水。供应者无限地提供三种材料，供应者每次将两种材料放在桌子上，拥有剩下那种材料的卷烟者卷一根烟并抽掉它，并给供应者一个告诉完成信号，供应者就会放另外两种材料在桌上，这种过程一直重复。

解题步骤

该问题的本质依然是“生产者-消费者”问题，可以用“生产者-消费者”问题的思路去解决。

Step 1. 有几类进程

生产者(){
    while(1){
        
    }
}

吸烟者1(烟草){
    while(1){
        
    }
}

吸烟者2(纸){
    while(1){
        
    }
}

吸烟者3(胶水){
    while(1){
        
    }
}
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Step 2. 用中文描述动作

生产者(){
    while(1){
        收到从吸烟者3发来的信号;
        在桌上提供纸和胶水;
        收到从吸烟者1发来的信号;
        在桌上提供烟草和胶水;
        收到从吸烟者2发来的信号;
        在桌上提供烟草和纸;
    }
}

吸烟者1(烟草){
    while(1){
        从桌子上取走纸和胶水;
        吸烟;
        向生产者发送一个信号;
    }
}

吸烟者2(纸){
    while(1){
        从桌子上取走烟草和胶水;
        吸烟;
        向生产者发送一个信号;
    }
}

吸烟者3(胶水){
    while(1){
        从桌子上取走烟草和纸;
        吸烟;
        向生产者发送一个信号;
    }
}
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Step 3. 添加 PV 操作，用中文描述里面的操作

【注】//表示新加入的代码。

（1）生产者

生产者(){
    while(1){
        P(从吸烟者3发来的信号); //
        在桌上提供纸和胶水;
        P(从吸烟者1发来的信号); //
        在桌上提供烟草和胶水;
        P(从吸烟者2发来的信号); //
        在桌上提供烟草和纸;
    }
}

吸烟者1(烟草){
    while(1){
        从桌子上取走纸和胶水;
        吸烟;
        V(吸烟者1向生产者发送信号); //
    }
}

吸烟者2(纸){
    while(1){
        从桌子上取走烟草和胶水;
        吸烟;
        V(吸烟者2向生产者发送信号); //
    }
}

吸烟者3(胶水){
    while(1){
        从桌子上取走烟草和纸;
        吸烟;
        V(吸烟者3向生产者发送信号); //
    }
}
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（2）吸烟者 1

生产者(){
    while(1){
        P(从吸烟者3发来的信号);
        在桌上提供纸和胶水;
        V(桌子上有纸和胶水); //
        P(从吸烟者1发来的信号);
        在桌上提供烟草和胶水;
        P(从吸烟者2发来的信号);
        在桌上提供烟草和纸;
    }
}

吸烟者1(烟草){
    while(1){
        P(桌子上有纸和胶水吗？有-1，没有阻塞); //
        从桌子上取走纸和胶水;
        吸烟;
        V(吸烟者1向生产者发送信号);
    }
}

吸烟者2(纸){
    while(1){
        从桌子上取走烟草和胶水;
        吸烟;
        V(吸烟者2向生产者发送信号);
    }
}

吸烟者3(胶水){
    while(1){
        从桌子上取走烟草和纸;
        吸烟;
        V(吸烟者3向生产者发送信号);
    }
}
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（3）吸烟者 2、吸烟者 3

跟上面是类似的：

生产者(){
    while(1){
        P(从吸烟者3发来的信号);
        在桌上提供纸和胶水;
        V(桌子上有纸和胶水+1); //
        
        P(从吸烟者1发来的信号);
        在桌上提供烟草和胶水;
        V(桌子上有烟草和胶水+1); //
        
        P(从吸烟者2发来的信号);
        在桌上提供烟草和纸;
        V(桌子上有烟草和纸+1); //
    }
}

吸烟者1(烟草){
    while(1){
        P(桌子上有纸和胶水吗？有-1，没有阻塞); //
        从桌子上取走纸和胶水;
        吸烟;
        V(吸烟者1向生产者发送信号);
    }
}

吸烟者2(纸){
    while(1){
        P(桌子上有烟草和胶水吗？有-1，没有阻塞); //
        从桌子上取走烟草和胶水;
        吸烟;
        V(吸烟者2向生产者发送信号);
    }
}

吸烟者3(胶水){
    while(1){
        P(桌子上有烟草和纸吗？有-1，没有阻塞); //
        从桌子上取走烟草和纸;
        吸烟;
        V(吸烟者3向生产者发送信号);
    }
}
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（4）缓冲区

每次桌子上只放一件组合，不需要互斥锁。

Step 4. 检查是否出现死锁

不会发生死锁。

Step 5. 定义信号量

offer信号量均表示产品（材料组合）的数量，初始值设为 0。

finish信号量均为前驱后继的关系，因此初始值设为 0。

信号量 offer1 = 0;
信号量 offer2 = 0;
信号量 offer3 = 0;
信号量 finish1 = 0;
信号量 finish2 = 0;
信号量 finish3 = 0;

生产者(){
    while(1){
        P(finish3);
        在桌上提供纸和胶水;
        V(offer1);
        
        P(finish1);
        在桌上提供烟草和胶水;
        V(offer2);
        
        P(finish2);
        在桌上提供烟草和纸;
        V(offer3);
    }
}

吸烟者1(烟草){
    while(1){
        P(offer1);
        从桌子上取走纸和胶水;
        吸烟;
        V(finish1);
    }
}

吸烟者2(纸){
    while(1){
        P(offer2);
        从桌子上取走烟草和胶水;
        吸烟;
        V(finish2);
    }
}

吸烟者3(胶水){
    while(1){
        P(offer3);
        从桌子上取走烟草和纸;
        吸烟;
        V(finish3);
    }
}
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网上的代码（与王道的类似）

网上的代码是随机放材料，我写的代码是按顺序依次放材料。

1. 关系分析。供应者与三个抽烟者分别是同步关系。由于供应者无法同时满足两个或 以上的抽烟者，三个抽烟者对抽烟这个动作互斥。

2. 整理思路。这里有四个进程。供应者作为生产者向三个抽烟者提供材料。

3. 信号量设置。信号量 offer1、offer2、offer3 分别表示烟草和纸组合的资源、烟草和 胶水组合的资源、纸和胶水组合的资源。信号量 finish 用于互斥进行抽烟动作。

int random; //存储随机数
semaphore offer1 = 0; //定义信号量对应烟草和纸组合的资源
semaphore offer2 = 0; //定义信号量对应烟草和胶水组合的资源
semaphore offer3 = 0; //定义信号量对应纸和胶水组合的资源
semaphore finish = 0; //定义信号量表示抽烟是否完成

//供应者
while(1){
    random = 任意一个整数随机数;
    random = random % 3;
    if (random == 0)
        V(offerl) ; //提供烟草和纸
    else if (random == 1) 
        V(offer2);  //提供烟草和胶水
    else
        V(offer3)  //提供纸和胶水
    // 任意两种材料放在桌子上，并等待抽烟者抽烟后将 finish 设置为 1
    P(finish);//抽烟者已经使用完材料，需要继续提供材料
}

//拥有烟草者
while(1){
    P (offer3);
    // 拿纸和胶水，卷成烟，抽掉;
    V(finish);
}

//拥有纸者
while(1){
    P(offer2);
    // 烟草和胶水,卷成烟，抽掉；
    V(finish);
}

//拥有胶水者
while(1){
    P(offer1);
    // 拿烟草和纸，卷成烟，抽掉;
    v(finish);
}
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