三、操作系统——生产者-消费者问题（两个同步一个互斥）

一、问题描述

信号量机制实现进程互斥的步骤：

1. 设置初值为1的互斥信号量
2. 在访问临界区之间进行P操作
3. 在访问完临界区之后进行V操作

信号量机制实现进程同步的步骤：

1. 设置初值为0的同步信号量
2. 在前操作之后对同步信号量执行V操作
3. 在后操作之前对同步信号量执行P操作

注意：
前操作指的就是需要先进行的操作，比如：当缓冲区已满的时候，消费者先取走缓冲区的产品，生产者才能生产产品放入缓冲区。这里的“消费者先取走缓冲区的产品”就是前操作；而” 生产者生产产品放入缓冲区“就是后操作

注意：
生产者-消费者问题中共存在3个信号量：一个是空闲缓冲区对应的信号量，一个是产品对应的信号量，还有一个是用来实现互斥访问临界区的互斥信号量

1. 生产者每次要消耗一个空闲缓冲区，而消耗一个资源（空闲缓冲区）也就是对这个资源的信号量执行P操作。
   因为P操作会对这个资源的信号量的数值进行-1操作，如果该信号量-1后的数值 < 0,说明在没有进行-1操作之前，信号量的数值 是<= 0的。也就是说,在没有进行-1操作之前已经没有资源（空闲缓冲区），资源（空闲缓冲区）的数量为0，所以会使用block原语使进程从运行态进入阻塞态，并把该进程挂到该信号量的等待队列（即阻塞队列）中。
   直到消费者释放一个空闲缓冲区，也就是对空闲缓冲区对应的信号量执行了V操作之后，也就是增加一个空闲缓冲区之后，生产者进程才能再次被唤醒。

2. 生产者进程在确认了空闲缓冲区的数量是足够的情况下，会生产一个产品（非空闲缓冲区），也就是对 产品所对应的信号量执行V操作。
   因为V操作会对产品所对应的信号量的数值进行+1操作，相当于是往空闲缓冲区中放了一个产品，即非空闲缓冲区数量+1。如果进行+1操作之后，该信号量的数值<=0,说明在没有进行+1操作之前，该信号量的数值是<= -1的，这里的-1取绝对值之后代表的就是空闲缓冲区的数量，也就是等待队列中的进程数量为1。这时，会使用wakeup原语唤醒等待队列中的进程，让等待队列中的进程由阻塞态变为就绪态。
   而消费者在消耗一个产品之前，需要对这个产品所对应的信号量执行P操作，表示要消耗一个产品（即非空缓冲区）。

二、问题分析

三、如何实现？

第一步：
首先，明确生产者需要做2间事情：生产一个产品 和 把产品放入缓冲区
消费者也需要做2间事情：从缓冲区取出一个产品 和 使用一个产品

第二步：
生产者生产一个产品之后，相当于是消耗了一个空闲的缓冲区，而空闲缓冲区的数量是由empty来控制的，需要将empty的数量进行-1操作，所以要在生产者生产一个产品之后执行P(empty)操作，表示消耗了一个空闲缓冲区。

第三步：
生产者把产品放入缓冲区之后，相当于是增加了一个产品（非空闲缓冲区），而非空闲缓冲区的数量是由full来控制的，需要将full的数量进行+1操作，所以要在生产者把产品放入缓冲区之后执行V(full)操作，表示增加了一个产品（非空闲缓冲区）

第四步：
消费者从缓冲区取出一个产品之前，需要执行P(full)操作，表示要消耗一个产品（非空缓冲区）

第五步：
消费者在使用产品之前，需要执行V(empty)操作，表示要增加一个空闲缓冲区

第六步：
实现多个生产者对生产者把产品放入缓冲区这个临界区的互斥访问
实现多个消费者对消费者从缓冲区取出产品这个临界区的互斥访问
生产者把产品放入缓冲区的操作应该放在临界区内，这样才能避免存在多个生产者并发的执行 将产品放入缓冲区的代码。所以要在进入临界区之前执行P(mutex)操作，离开临界区之后执行V(mutex)操作。
消费者同理，需要在进入临界区之前执行P(mutex)操作，离开临界区之后执行V(mutex)操作。

注意：

1. 如果要实现互斥关系的话，这对P、V操作是在同一个进程中的
2. 如果要实现（一前一后的）同步关系的话，这对P、V操作是分别位于两个不同的进程之中的

对“前V后P”的理解：
前操作之后执行V操作，后操作之前执行P操作
在缓冲区为空的情况下：生产者生产产品需要在消费者消费产品之前。因此，在生产者生产产品之后，需要执行V(full)操作；消费者消费产品之前，需要执行P(full)操作