计算机操作系统学习之生产者消费者问题

一.问题描述

• 系统中有一组生产者进程和一组消费者进程
• 生产者和消费者共享一个初始为空、大小为n的缓存区
• 生产者进程每次生产一个进程放入缓存区，消费者进程每次从缓存区取出一个进程并使用
• 只有缓存区没满时，生产者才可以把产品放入缓存区，否则必须等待
• 只有缓冲区不空时，消费者才可以从缓冲区取出产品，否则必须等待
• 缓冲区是临界资源，各进程必须互斥的访问

二.使用信号量机制实现

1.关系分析

找出题目中各个进程的同步和互斥关系

• 互斥：缓冲区是临界资源，各进程必须互斥访问
• 同步1：缓存区满时，生产者要等待消费者取走产品（即缓冲区满时，生产产品在取走产品之后）
• 同步2：缓存区空时，消费者要等待生产者生产产品（即缓存区空时，取走产品在生产产品之后）

2.整理思路

根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序

• 生产者每次消耗（P）一个空闲缓冲区，并生产（V）一个产品
• 消费者每次消耗（P）一个产品，并生产（V）一个空闲缓冲区
• 往缓存区放入/取走产品需要互斥，即要设置一个初值为1的互斥信号量，在临界区之前和之后分别执行它的P、V操作

3.设置信号量

设置需要的信号量，并根据题目确定信号量初值
1.互斥信号量初值一般为1
2.同步信号量初值要看对应资源的初始值

• 题目中一开始空闲缓冲区的数量为n，产品（非空闲缓冲区）的数量为0那么就可以设置如下信号量：
  

4.具体的实现

（1）生产者

• P(empty)：消耗一个空闲缓冲区
• V(full)：生产一个产品
• P(mutex)和V(mutex)：实现进程互斥，分别在临界区之前和之后执行

（2）消费者

• P(full)：消耗一个产品
• V(empty)：生产一个空闲缓冲区
• P(mutex)和V(mutex)：实现进程互斥，分别在临界区之前和之后执行
• 可以发现在实现进程互斥时，那一对P、V操作是在同一进程内执行的；在实现进程同步时，那一对P、V操作是分别在两个进程中执行的

5.P(empty)和P(mutex)顺序问题

可以看到在上面的实现过程中，P(empty)和P(full)在前，P(mutex)在后，那么能否交换它们两个的顺序呢？

• 假设此时缓存区已满，则full=n，empty=0
• 如果此时先执行P(mutex)，使得mutex变成0，就是对临界资源上了锁
• 然后再执行P(empty)去消耗一个空闲缓存区，会发现此时empty=0，已经没有空闲缓冲区可以使用，因此生产者会被阻塞
• 由于生产者进程此时被阻塞，那么就会切换回消费者进程，先执行P(mutex)，此时它会发现mutex=0，也就是说临界区此时仍然处于上锁状态没有被释放，那么此时消费者进程也被阻塞
• 这就造成了生产者等待消费者释放空闲缓冲区，而消费者等待生产者释放临界区，出现死锁，因此不能交换顺序
• 因此实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后
• V操作不会导致进程阻塞，因此V(full)和V(mutex)顺序可以交换
• 生产一个产品和使用产品的操作最好是放到临界区之外：
  虽然从逻辑上看这两个操作放到临界区之内是没有问题的，但是将其放入临界区之后，临界区代码量就会变大，那么生产者/消费者进程在访问临界区时就需要耗费更长的时间，如果此时有别的进程想要访问临界区，那么它就会被阻塞，这就降低了进程的并发度。