门| GATE-CS-2004 |问题6

该问题是2004年计算机科学的GATE考试中的第6个问题。

问题描述

有四个进程P₀, P₁, P₂, P₃需要访问一个临界区域，并且在共享资源上竞争。以下是进程实现中的三个关键部分：

1.for (i = 1; i <= N; i++) 从1到N的循环。 2.```while (TRUE) {

        Criticalsection();
        Remaindersection();}``` 进入关键部分，完成任务后退出。 

3. wait(S); 等待信号S。

程序员必须设计一个称为“门”的同步原语，以满足以下要求：

1. 一次只能有一个进程位于关键部分.
2. 第一个到达门的进程必须进入.
3. 一旦任何进程进入门，其他进程必须等待直到进入的进程退出.
4. 当进程退出门时，如果没有其他进程在门口等待，则门必须保持关闭.

自己动手

以下是门同步原语的实现：

semaphore mutex = 1;
semaphore gate = N;
semaphore turnstile = 0;

void gate(){
    wait(gate);
    wait(mutex);
    turnstile++;
    signal(gate);
    signal(mutex);
    Criticalsection();
    wait(mutex);
    turnstile--;
    if (turnstile == 0) {
        signal(mutex);
    }

    Remaindersection();
}

解析

实现了一个名为“门”的同步原语。它使用一个二元信号量mutex来锁定关键部分，并使用一个整数计数器turnstile来实现门控制。

当第一个进程P_i到达关键部分时，它等待进入门，并通过wait(gate)减少gate上的计数器。

接下来，它尝试在mutex上等待（wait(mutex)），以确保进入和退出是按照正确的顺序进行的。然后turnstile被增加（turnstile++）并释放了mutex（signal(mutex)）。

其他等待进入门的进程需要先通过wait(gate)获取访问许可。turnstile的值现在被增加，它们需要等待直到所有的进程到达turnstile等待区（turnstile == N），这时它们可以进入门。

当一个进程完成在门区（在Criticalsection();以及在Remaindersection();）中的操作时，它需要在任何其他进程进入之前离开。turnstile的值会减少一个（turnstile--）。

如果此时还有任何一个进程在turnstile等待区（turnstile > 0），则mutex将被保持，使下一个进程不能进入门。另一方面，如果这是最后一个等待进入门的进程（turnstile == 0），则mutex将被释放，以使下一个等待进入门的进程进入。

这样，门同步原语使用信号量来解决了进程互斥和同步问题，确保了资源的安全，让进程按照预期执行。

总结

这个问题考察了计算机科学中的并发控制，以及信号量和进程同步技术。设计原语的过程中，需要综合考虑多种情况，例如进程的到达和离开，计数器的自增和自减等，往往需要自己尝试多次才能完成。这种问题解决能力，在软件工程中也是必不可少的。