生产者-消费者问题（操作系统）

生产者-消费者问题从特殊到一般(从易到难)可以分3种形式：

一个生产者、一个消费者、一个缓冲区的问题；

一个生产者、一个消费者、n个缓冲区的问题；

 k个生产者、m个消费者、n个缓冲区的问题；

★当缓冲区空时，生产者可将产品存入缓冲区；当缓冲区满时，生产者必须等待 (阻塞)，待消费者取走产品后将其唤醒后，才能将产品存入。

1. 为生产者设置 1 个私有信号量 empty ，其初值为 1 ，表示有 1 个空缓冲区；为消费者设置 1 个私有信号量 full ，其初值为 0 ，表示开始时没有满缓冲区；（ 信号量初值由物理意义确定 ）

2. 生产者将产品存入缓冲区之前，应先 测试 缓冲区是否空：执行 wait(empty) 操作；离开临界区 ( 存入产品 ) 后，应 通知 ( 可能会唤醒 ) 消费者：执行 signal(full) 操作；

3. 消费者从缓冲区取产品之前，应先 测试 缓冲区是否满：执行 wait(full) 操作；离开临界区 ( 取走产品 ) 后，应 通知 ( 可能会唤醒 ) 生产者：执行 signal(empty) 操作

一个生产者、一个消费者、一个缓冲区

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生产者消费者问题的算法描述如下所示：

初始化设置

semaphore empty,full;
empty=1;full=0;

生产者

parbegin
process Producer:
{ 
   produce an item in nextp;
   wait(empty);//测试
   buffer=nextp;
   signal(full);//通知消费者
}

消费者

process Consumer:
{
    wait(full); //测试
    nextc=buffer;
    signal(empty); //通知
    consume the item
                    in nextc;
}
parend

信号量机制解决进程同步问题的一般方法：

一个生产者、一个消费者、n个缓冲区

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        为生产者设置一个资源信号量empty ，其初值为生产者的可用资源数 ( 空缓冲区的个数 )n ，即 empty=n 。

        为消费者设置一个资源信号量full ，其初值为消费者的可用资源数 ( 满缓冲区的个数 )0 ，即 full=0 。

生产者消费者问题的算法描述如下所示：

初始化设置

​​​​​​​semaphore empty,full;
empty=n;full=0;
int in=0,out=0;   //下标

生产者

parbegin
process Producer:
{ 
   produce an item in nextp;
   wait(empty);//测试
   buffer[in]=nextp;
   in=(in+1)%n;
   signal(full);//通知消费者
}

消费者

process Consumer:
{
    wait(full); //测试
    nextc=buffer[out];
    out=(out+1)%n;
    signal(empty); //通知
    consume the item in nextc;
}
parend

本题中in和out不是共享变量(因为只有一个生产者和一个消费者)，无需互斥访问。

K个生产者、M个消费者、n个缓冲区

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初始化

semaphore mutex,empty,full ;
item buffer[n] ;
int in = 0，out = 0 ；
mutex.value = 1;
empty.value=n,full.value=0;

生产者

parbegin //并发执行开始 
process produceri (i=1,2,…,k)  //生产者进程
{
     item nextp；
     while (true)
    {  
       produce an item nextp；
       wait(empty) ;	//测试是否有可用的资源
       wait(mutex);	    //互斥(进入临界区)
       buffer[in] = nextp ；
       in = (in + 1)% n ；
       signal(mutex) ;  //退出临界区
       signal(full) ;	//通知(可能唤醒)协作方
   }
} 

消费者

process consumerj (j=1,2,…,m）
{  item nextc ；
    while (true)   {
       wait(full); //测试是否有可用的资源
       wait(mutex);
       nextc = buffer[out] ；
       out = (out + 1)% n ；
       signal(mutex);//生产者消费者互斥访问缓冲区，同时生产者互斥生产，消费者户次消费
       signal(empty); //通知(可能唤醒)协作方
       consume the item in nextc ;
    }
}
parend //并发执行结束 

注意：

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重申信号量解决同步问题的要点：

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