[进程同步]—生产者与消费者问题

生产者与消费者问题

• PV操作是用来操作信号量的。

  • P：等待——wait——减法作用——阻塞作用

  • V：释放——signal——加法作用——唤醒作用

  • S.value > 0 ：有空闲CPU；

    S.value = 0：CPU刚好用完；

    S.value < 0：进程等待；

    • P操作

    void wait(S)
    {
        S.value--;
        if (S.value < 0)
        {
            加入阻塞队列;
        }
    }

    • V操作

    void signal(S)
    {
        S.value++;
        if (S.value <= 0)
        {
            唤醒阻塞队列第一个进程;
        }
    }

• 解题思路：

  1.画图理解题目
  2.判断题目类型
  3.分析进程数目，填写进程模板
  4.补充基本代码
  5.补充P,V代码
  6.调整代码

• 例：爸爸往桌子上每次放一个苹果，儿子每次从桌子上拿一个苹果，放苹果和拿苹果不能同时进行，桌子上最多放10个苹果，用PV操作实现同步互斥。

  • 分析：爸爸——生产者——剩余空间(empty) = 10

    ​ 儿子——消费者——已占用空间(full) = 0

    ​ 信号量S = 1，用来实现互斥。

  • 特征：①容器 ≤ 容量

    ​ ②生产 消费

  • 伪代码

  Dad()
  {
      while(1)
      {
          P(empty);//判断盘子是否已满
          P(S);
          放苹果；
          V(S);
          V(full);//对已占用空间+1
      }
  }

  Son()
  {
      while()
      {
          P(full);//判断盘子是否为空
          P(S);
          取苹果;
          V(S);
          V(empty);//对盘子剩余空间+1
      }
  }

• 例：桌子上有个盘子，每次只能放一个水果，妈妈放橘子，爸爸放苹果，儿子吃橘子，女儿吃苹果。盘子为空，爸爸或妈妈才能放水果，盘子有水果时，儿子和女儿才能取水果。

  • 分析:

  • 初始值：orange = 0

    ​ apple = 0

    ​ plate = 1

    ​ S = 1

  • 伪代码

    Mom()
    {
        while(1)
        {
            P(plate);
            P(S);
            放橘子;
            V(S);
            V(orange);
        }
    }

    Dad()
    {
        while(1)
        {
            P(plate);
            P(S);
            放苹果;
            V(S);
            V(apple);
        }
    }

    Son()
    {
        while(1)
        {
            P(orange);
            P(S);
            取橘子;
            V(S);
            V(plate);
        }
    }

    Daughter()
    {
        while(1)
        {
            P(apple);
            P(S);
            取苹果;
            V(S);
            V(plate);
        }
    }

    • 操作同一个对象的时候，使用信号量S来实现互斥。

• [2015—408统考]

  • 有A,B两个人通过信箱辩论，每个人都从自己的信箱取得对方的问题，将答案和新问题组成一个邮件放入对方的信箱中。假设A的信箱可装M封邮件，B的信箱可装N封邮件。初始时A信箱有X封，B信箱有Y封，，辩论者每次只取一封邮件。请用P,V操作实现，并解释信号量的初始值和含义。

    • 分析：生产者A——B的剩余空间

      ​ 生产者B——A的剩余空间

      ​ 消费者A——自己邮箱还有多少封信

      ​ 消费者B——自己邮箱还有多少封信

      ​ full-A：A信箱有多少封邮件

      ​ empty-A：A信箱的容量

      ​ full-B：B信箱有多少封邮件

      ​ empty-B：B信箱的容量

      ​ mutex-A：A信箱的信号量

      ​ mutex-B：B信箱的信号量

    • 初始值：mutex-A = 1，mutex-B = 1

      ​ full-A = x ， empty-A = M - X

      ​ full-B = y， empty-B = N - y

    A()
    {
        while(1)
        P(full-A);
        P(mutex-A);
        从自己邮箱取信;
        V(mutex-A);
        V(empty-A);
        读信;
        P(empty-B);
        P(mutex-B);
        向B邮箱投信;
        V(mutex-B);
        V(full-B);
    }

    B()
    {
        while(1)
        P(full-B);
        P(mutex-B);
        从自己邮箱取信;
        V(mutex-B);
        V(empty-B);
        读信;
        P(empty-A);
        P(mutex-A);
        向A邮箱投信;
        V(mutex-A);
        V(full-A);
    }

• [2014—408统考]

  • 例：系统中有多个生产者和消费者，共享一个能存放1000件产品的环形缓冲区(初始为空)。当缓冲区未满时生产者可放入生产的一个产品，否则等待。当缓冲区未空时，消费者进程可取走一件产品，否则等待。要求一个消费者从缓冲区连续取10件产品后，其他消费者才能取走产品。请用P，V操作实现该流程并解释信号量含义。

    • 分析：生产者（j）—剩余空间

      ​ 生产者（i）—剩余空间

      ​ 消费者（m）—物件数量

      ​ 消费者（n）—物件数量

    • 初始值：empty = 1000;

      ​ full = 0;

      ​ mutex = 1;

      ​ mutex1 = 1;

    j()
    {
        while(1)
        {
            P(empty);
            P(mutex);
            放一件产品;
            V(mutex);
            V(full);
        }
    }

    i()
    {
        while(1)
        {
            P(empty);
            P(mutex);
            放一件产品；
            V(mutex);
            V(full);
        }
    }

    m()
    {
        while(1)
        {
            P(mutex1);
            for(int i = 0;i < 10;i++)
            {
                P(full);
                P(mutex);
                取一件物品；
                V(mutex);
                V(empty);
            }
            V(mutex1);
        }
    }

    n()
    {
        while()
        {
            P(mutex1);
            for(int i = 0;i < 10;i++)
            {
                P(full);
                P(mutex);
                取一件物品；
                V(mutex);
                V(empty);
            }
            V(mutex1);
        }
    }

    • 上述代码中，m和n，i和j的代码一样，所以合并m和n，i和j。