2.3_6 生产者消费者问题-编程知识

文章目录

2.3_6 生产者消费者问题
- （一）问题描述
- （二）问题分析
- （三）如何实现
- （四）思考：能否改变相邻P、V操作的顺序？
总结

2.3_6 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，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。（注：这里的“产品”理解为某种数据）

生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。

只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。

分析1：缓冲区没满 ---> 生产者生产。这是一对一前一后的同步关系。

因为缓冲区大小为5，所以生产者进程最多可以向缓冲区内放入5个产品。

如果此时缓冲区已经满了，但是生产者进程还想尝试往里面写数据，那么生产者进程必须阻塞等待，只有缓冲区有空位的时候，生产者进程才能继续写数据。

当一个消费者进程从缓冲区取走数据之后，如果此时有生产者进程是处于阻塞状态的，那么该生产者进程就要把生产者进程给唤醒，让它重新回到就绪态。

注意：生产者进程只是回到了就绪态，但并不意味着生产者进程会立即往缓冲区里写数据。接下来有可能是消费者进程继续从缓冲区中读数据。

只有缓冲区非空的时候，消费者进程才有可能从缓冲区中取走数据，否则消费者进程就必须阻塞等待。

分析2：缓冲区非空 ---> 消费者消费。这是一对一前一后的同步关系。

缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。

分析3：互斥关系。

假设有两个生产者进程同时往缓冲区中写数据，并且写入的位置是同一片区域（如上图棕色部分）。这样的话，后写的就会把先写的数据覆盖掉。因此，如果各个进程同时访问缓冲区的话，就有可能出现一系列问题。

（二）问题分析

注意，对此类问题分析的步骤：

1.关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、互斥关系。

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。

3.设置信号量。并根据题目条件确定信号量初值。

注意：互斥信号量初值一般为1，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少。

对上例的分析，总结如下：

1.生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。

2.只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。

同步关系1：缓冲区没满 —> 生产者生产。

3.只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待。

同步关系2：缓冲区没空 —> 消费者消费。

既然有两对一前一后的同步关系，那么我们就要分别对它们各设置一个同步信号量。

并且不要忘了——在“前操作”执行完之后，要对这个信号量执行一个V()操作；在“后操作”开始执行之前，要对这个信号量执行一个P()操作。

4.缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。

利用信号量实现互斥，很简单，设置一个信号量mutex，令其初值为1。然后在临界区的前面和后面分别对互斥信号量执行P、V操作就可以了。

5.对于同步信号量full的理解。full是消费者进程要从缓冲区中读取产品的产品数量。而缓冲区刚开始是空的，每当生产者进程生产一次，就会释放一个full，因此full初始值应该是0。

6.对于同步信号量empty的理解。生产者每生产一个产品，就需要消耗一个空闲的缓冲区。因此empty这个信号量所对应的资源，就是“空闲的缓冲区”这种资源。它的数量就是空闲缓冲区的数量。每当一个消费者进程消费一次，就会释放一个empty，因此empty的初始值应该是n。

（三）如何实现

1.生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。

2.只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。

3.只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待。

4.缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。

先把各个进程做的事情写出来。之后再考虑在其前、后怎样插入P、V操作的事情。

如上图所示，此时我们就实现了两对同步关系。

此外，由于缓冲区是互斥的临界资源，因此在访问缓冲区的代码前后分别要对mutex这个互斥信号量执行P、V操作，用于实现对缓冲区的互斥访问。

注意：实现互斥，是在同一进程中进行的一对PV操作。

而实现两个进程的同步关系，是在其中一个进程中执行P，另一个进程中执行V。

注：这种P、V操作的放置位置，是可以根据刚才我们分析好的同步关系，以及画好的前驱图，从而轻松想到的。

（四）思考：能否改变相邻P、V操作的顺序？

问题1

例如producer()进程中，刚才我们是先对同步信号量empty执行P操作，再对互斥信号量mutex执行P操作。那么现在，如果我们把这两个P操作的位置颠倒一下，会不会出问题？

分析

若这样摆放P操作的话，那么，如果此时缓冲区内已经放满产品，即empty=0，full=n。

则生产者进程执行①使mutex变为0，再执行②。而又由于已经没有空闲缓冲区，因此生产者被阻塞。

由于生产者阻塞，因此切换到消费者进程。消费者进程执行③，但又由于mutex=0，即生产者还没对临界资源“解锁”，因此消费者也被阻塞。

这就造成了生产者等待消费者释放空闲缓冲区，而消费者又等待生产者释放临界区的情况。生产者和消费者循环等待被对方唤醒，出现“死锁”。

同样地，若缓冲区中没有产品，即full=0，empty=n。按③④①的顺序执行就会发生死锁。

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，因此两个V操作顺序可以交换。

问题2

生产者的生产一个产品操作，以及消费者使用产品操作，能否也放到PV操作中间？

分析

单从代码逻辑来看，将它们也放到PV操作中间，是不会出问题的。

但是，如果把它们也放到PV操作中间，即把它们也当成了临界资源来处理，会导致临界区部分的代码变得更长，也就是说一个进程对临界区上锁的时间会增长。这样一来，肯定不利于各个进程去交替地使用临界区资源。所以，我们要让临界区的代码尽可能的短，因此，逻辑上来看，把它们放进去是没有问题的，但实际上来讲，会对系统的效能产生影响。

因此，并不建议把这两个操作放在PV操作中间。