进程同步---生产者与消费者问题以及进程同步机制--信号量及P、V操作

进程同步 synchronization

描述

指系统中多个进程中发生的时间存在某种时序关关系，需要相互合作，共同完成一项任务。

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场景

一个进程运行到某一点时，要求另一个伙伴进程为它提供消息，在未获得消息之前，该进程进入阻塞态，获得消息后被唤醒进入就绪态。*

生产者与消费者问题又称为有界缓冲区问题

场景：

• 一个或者多个生产者生产某种类型的数据放置在缓冲区中
• 有消费者从缓冲区中取数据，每次取一项
• 只能有一个生产者货消费者对缓冲区进行操作

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要解决的问题：

• 当缓冲区已满时，生产者不会继续向其中添加数据
• 当缓冲区为空时，消费者不会从中移走数据
• 要避免忙等待，睡眠和唤醒操作（原语）

#define N 100
int count = 0;
void producer(void)
｛
    int item;
    while(TRUE)
    {
        item = produce_item();
        if(count == N)         /*判断缓冲区是否满了*/
            sleep();
        insert_item(item);
        count = count + 1;
        if(count == 1) /*判断是否有消费者睡眠*/
            wakeup(consumer);
    }
｝

void consumer(void)
{
    int item;
    while(TRUE)
    {
        if(count == 0) /*判断是否有数据*/
            sleep();
        item = remove_item();
        count = count - 1;
        if(count == N-1) /*判断是否有生产者睡眠*/
            wakeup(producer);
        consume_item(item);
    }
}

一种经典的进程同步机制–信号量及P、V操作

信号量及P、V操作

• 一个特殊变量
• 用于进程间传递信息的一个整数值
• 定义

struct semaphore
{
    int count;
    queueType queue;
}

• 信号量说明： semaphore s;
• 对信号量可以实施的操作：初始化、P和V（P、V是指荷兰语中的test(porberen)和increment(verhogen)）
  
  • P、V操作为原语操作（Primitive or atomic action）
  • 在信号量上定义了三个操作初始化（非负数）、P操作、V操作
  • 最初提出的是二元信号量（解决互斥）之后推广到一般信号量（多值）或计数信号量（解决同步）

P(s)
{
    s.count--;
    if(s.count < 0)
    {
        该进程状态置为阻塞状态；
        该进程插入相应的等待队列s.queue末尾；
        重新调度；
    }
}

V(s)
{
    s.count++;
    if(s.count <= 0)
    {
        唤醒相应的等待队列s.queue中等待的一个进程；
        改变其状态为就绪态，并将其插入就绪队列；
    }
}

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用PV操作解决进程间的互斥问题

• 分析并发进程的关键活动，或定临界区
• 设置信号量 mutex，初值为1
• 在临界区前实施P(mutex)
• 在临界区之后实施V(mutex)

用信号量解决生产者、消费者问题

#define N 100                   /*缓冲区个数*/
typedef int semaphore;          /*信号量是一种特殊的整数类型*/
semaphore mutex = 1;            /*互斥信号量：控制对临界区的访问*/
semaphore empty= N;             /*空缓冲区的个数*/
semaphore full = 0;             /*满缓冲区个数*/
void producer(void)
{
    int item;
    while(TRUE)
    {
        item = produce_item()
        P(&empty);
        P(&mutex);
        insert_item(item);
        V(&mutex);
        V(&full);

    }

}

void consumer(void)
{
    int item;
    while(TRUE)
    {
        P(&full);
        P(&mutex);
        item = remove_item()
        P(&mutex);
        V(&empty);
        consume_item(item);
    }

}

producer中P(&empty);P(&mutex);中不能颠倒位置会造成死锁问题。consumer中的V(&mutex);V(&full);V操作位置可以颠倒，不会出错，但是现在最好，还有consume_item(item);放在临界区内也行，不会出错，但是会增加临界区的发威，现在这种排序的临界区范围最小。