桌子上有一只盘子，最多可容纳两个水果，每次只能放入或取出一个水果。爸爸专向盘子中放苹果（apple），妈妈专向盘子中放西瓜（melon），两个儿子专等吃盘子中的西瓜，两个女儿专等吃盘子中的苹果。请用wait和signal原语来实现爸爸、妈妈、儿子们、女儿们之间的同步与互斥关系。

### 回答1：
题目描述：

桌子上有一只盘子，最多可容纳两个水果，每次只能放入或取出一个水果。爸爸专向盘子中放苹果（apple），妈妈专向盘子中放西瓜（melon），两个孩子都喜欢吃西瓜和苹果，但是爸爸和妈妈不吃西瓜和苹果。请用wait和signal原语来实现爸爸、妈妈、两个孩子之间的同步与互斥关系。

答案：

fruit = threading.Semaphore(2) # 盘子最多容纳两个水果
apple = threading.Semaphore(0) # 初始时盘子中没有苹果
melon = threading.Semaphore(0) # 初始时盘子中没有西瓜

def dad():
    while True:
        fruit.acquire() # 等待放入水果的空位
        print('dad put an apple in the plate')
        apple.release() # 放入一个苹果
        time.sleep(1)

def mom():
    while True:
        fruit.acquire() # 等待放入水果的空位
        print('mom put a melon in the plate')
        melon.release() # 放入一个西瓜
        time.sleep(1)

def child1():
    while True:
        apple.acquire() # 等待取出苹果
        print('child1 eat an apple')
        fruit.release() # 取出一个水果
        time.sleep(1)

def child2():
    while True:
        melon.acquire() # 等待取出西瓜
        print('child2 eat a melon')
        fruit.release() # 取出一个水果
        time.sleep(1)

t1 = threading.Thread(target=dad)
t2 = threading.Thread(target=mom)
t3 = threading.Thread(target=child1)
t4 = threading.Thread(target=child2)

t1.start()
t2.start()
t3.start()
t4.start()

### 回答2：
先考虑需要哪些信号量：
1. fruits：盘子中水果数量（最多为2）
2. apple：苹果数量
3. melon：西瓜数量
4. mutex：互斥信号量，确保爸爸或妈妈一次只放一个水果

接下来，每个进程对应一个函数，实现各自的逻辑，用wait和signal来控制对信号量的访问。

爸爸和妈妈的函数如下：

int fruit = 0;
semaphore fruits = 2;
semaphore apple = 1;
semaphore melon = 1;
semaphore mutex = 1;

void father(){
while(true){
wait(mutex); //互斥访问盘子
if (fruit == 2){ //盘子已满，等待儿子吃掉水果
signal(mutex);
sleep();
} else {
wait(apple); //没有苹果，等待妈妈放入苹果
fruit++;
signal(apple);
signal(fruits); //放完水果，通知儿子取水果
signal(mutex);
}
}
}

void mother(){
while(true){
wait(mutex);
if (fruit == 2){
signal(mutex);
sleep();
} else {
wait(melon);
fruit++;
signal(melon);
signal(fruits);
signal(mutex);
}
}
}

儿子和女儿的函数如下：

void son(){
while(true){
wait(fruits); //等待水果
wait(mutex); //互斥访问盘子
fruit--;
printf("son eat melon\n");
signal(mutex);
}
}

void daughter(){
while(true){
wait(fruits);
wait(mutex);
fruit--;
printf("daughter eat apple\n");
signal(mutex);
}
}

以上代码实现了父母和孩子之间的同步和互斥关系。父母每次只放一个水果，并通知孩子去取。如果盘子已满，父母等待孩子吃水果。孩子每次只取一个水果，盘子有水果时才能取，没有水果则等待。由于有互斥信号量mutex的存在，父母和孩子之间不会出现竞争和死锁的情况。

### 回答3：
根据题目的需求，我们需要实现父亲向盘子中放苹果、母亲向盘子中放西瓜、两个儿子等待吃西瓜、两个女儿等待吃苹果的同步关系。又因为每次只能放入或取出一个水果，盘子最多只容纳两个水果，所以我们需要使用信号量和互斥锁来实现。

我们可以定义四个信号量，分别为apple、melon、plate和mutex。其中，apple表示盘子中苹果数量，melon表示盘子中西瓜数量，plate表示盘子是否为空，mutex表示互斥锁。

父亲和母亲的代码如下：

def father():
    while True:
        signal(mutex)
        if plate.count() < 2:    # 如果盘子未满
            signal(plate)    # 发信号表示盘子不为空
            signal(apple)    # 放入苹果
        signal(mutex)
        time.sleep(1)

def mother():
    while True:
        signal(mutex)
        if plate.count() < 2:    # 如果盘子未满
            signal(plate)    # 发信号表示盘子不为空
            signal(melon)    # 放入西瓜
        signal(mutex)
        time.sleep(1)

儿子和女儿的代码如下：

def son():
    while True:
        wait(melon)    # 等待西瓜
        wait(mutex)
        plate.signal()    # 取出西瓜
        signal(mutex)
        time.sleep(1)

def daughter():
    while True:
        wait(apple)    # 等待苹果
        wait(mutex)
        plate.signal()    # 取出苹果
        signal(mutex)
        time.sleep(1)

注意到儿子和女儿的代码中都使用了wait操作，这是为了让他们在取出水果前等待盘子中有水果可取。同时，我们使用互斥锁来保证每次只能有一个线程在访问盘子。

最后，我们需要在主程序中启动父亲、母亲、儿子和女儿的线程。

apple = Semaphore(0)    # 盘子中苹果数量
melon = Semaphore(0)    # 盘子中西瓜数量
plate = Semaphore(1)    # 盘子空为1，非空为0
mutex = Semaphore(1)    # 互斥锁

father_thread = threading.Thread(target=father)
mother_thread = threading.Thread(target=mother)
son_thread_1 = threading.Thread(target=son)
son_thread_2 = threading.Thread(target=son)
daughter_thread_1 = threading.Thread(target=daughter)
daughter_thread_2 = threading.Thread(target=daughter)

father_thread.start()
mother_thread.start()
son_thread_1.start()
son_thread_2.start()
daughter_thread_1.start()
daughter_thread_2.start()

这样，我们就完成了父亲、母亲、儿子和女儿之间同步与互斥关系的实现。