操作系统经典同步问题——生产者-消费者问题

问题描述

一组生产者进程和一组消费者进程共享一个初始为空、大小为n的缓冲区，只有缓冲区没满时，生产者才把消息放入缓冲区，否则必须等待；只有缓冲区没空时，消费者从中取出消息，否则必须等待。由于缓冲区是临界资源，它只允许一个生产者放入消息，或一个消费者从中取出消息。

对于同步互斥的解释

首先，在操作系统中的异步指的是进程以不可预知的速度前进，举个例子来说，我想打LOL，需要我先打开客户端登陆，才能打LOL，因此打LOL这个动作要发生在客户端登陆之后，这就是所谓同步(用于进程间的相互制约)。

问题分析

1. 关系分析
   首先，临界区的意思是一次只能由一个进程访问。而如果一次有两个消费者进程要去访问临界区，那么可能会出现一个进程获得了一些资源，另一个进程获得了另一半资源，造成资源的分配不全，生产者进程也是会造成这样的问题。因此生产者和消费者对于临界区的访问是互斥关系
   其次，消费者只有在生产者生产之后才能消费，而生产者也需要在消费者消费后(使资源不满)才能再生产。这种先后的顺序则是同步关系
2. 信号量设置
   在此问题中，互斥关系有一对，而同步关系有两对。
   mutex为互斥信号量，初值为1，用于控制互斥访问。
   full为同步信号量，初值为0，记录当前缓冲区中满的缓冲区数
   empty为同步信号量，初值为n，记录当前缓冲区中空的缓冲区数

semaphore mutex=1;
semaphore empty=N;//N表示当前总共有几个缓冲区，empty=N即当前缓冲区均为空
semaphore  full=0;

Consumer(){
	while(1){
		P(full);//需要有满的存有数据的缓冲区
		P(mutex);
		visit()//访问临界区,并消费
		V(mutex);
		V(empty);//提供一个空的缓冲区可供生产
	}
}

Producer(){
	while(1){
		P(empty);//需要空的缓冲区来生产
		P(mutex);
		visit()//访问临界区,并生产
		V(mutex);
		V(full);//提供一个满的缓冲区可供消费
	}
}

注意

对于mutex的PV操作一定要和临界区代码"夹紧"，考虑这样一种情况：
当缓冲区已满，empty=0,full=n时

当前面生产者代码中P(empty);P(mutex);互换顺序，先对mutex进行P操作，再对full执行P操作，转换成人话就是在说：我先进入了临界区，但我就是不出去，与此同时我又申请了空闲的缓冲区，因为缓冲区均满，所以P(empty)会锁住，等待消费者代码那的V(empty)来唤醒自己，但是问题就出在这里。

消费者那里的V(empty)在代码的末尾，执行消费者进程时，我还需执行P(mutex)但人生产者还在临界区没出来，你怎么能进的去？所以这里也锁住，等待生产者那边的V(mutex)来唤醒自己。

相信大家也看出来了，这不是我等你你等我谁也等不到嘛？所以这样的交换是有问题的，不能够交换这两句代码的顺序。