操作系统：2.3.5经典同步问题（1）——生产者消费者问题，多生产者多消费者问题

1. 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，生产者才能把消息放入缓冲区，否则必须等待；只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出消息，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。

问题分析

1. 分析关系

1. 同步关系：

2. 互斥关系：
   

2. 整理思路

1. 同步关系的P、V操作：
   
2. 互斥关系的P、V操作：
   

3. 信号量初值设置

1. 同步信号量：
   信号量full用于记录当前缓冲池中的“满”缓冲区数，初值为0。
   信号量empty用于记录当前缓冲池中的“空”缓冲区数，初值为n。
2. 互斥信号量：
   信号量mutex作为互斥信号量，用于控制互斥访问缓冲池，互斥信号量初值为1;

代码

semaphore mutex=l;					//临界区互斥信号量
semaphore einpty=n;					//空闲缓冲区
semaphore full=0;					//缓冲区初始化为空

producer(){							//生产者进程
	while(1){
		produce an item in nextp;	//生产数据
		P (empty);(要用什么，P—下)	//获取空缓冲区单元
		P (mutex);(互斥夹紧)			//进入临界区
		add nextp to buffer;(行为)	//将数据放入缓冲区
		V (mutex);(互斥夹紧)			//离开临界区，释放互斥信号量
		V(full);(提供什么，V—下)		//满缓冲区数加1
	}
}


consumer(){							//消费者进程
	while (1){
		P(full);					//获取满缓冲区单元
		P(mutex);					//进入临界区
		remove an item from buffer;	//从缓冲区中取出数据
		V(mutex);					//离开临界区，释放互斥信号量
		V(empty);					//空缓冲区数加1
		consume the item;			//消费数据
	}
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26

同步和互斥的顺序能否调换顺序？

类比：

2. 多生产者——消费者问题

问题描述：桌子上有一个盘子，每次只能向其中放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，儿子专等吃盘子中的橘子，女儿专等吃盘子中的苹果。只有盘子为空时，爸爸或妈妈才可向盘子中放一个水果；仅当盘子中有自己需要的水果时，儿子或女儿可以从盘子中取岀。

问题分析

1. 分析关系

1. 同步关系
   
2. 互斥关系
   
   这里有4个进程，实际上可抽象为两个生产者和两个消费者被连接到大小为1的缓冲区上。

2. 信号量设置

1. 同步信号量
   信号量apple表示盘子中是否有苹果，初值为0表示盘子为空，不许取，apple=1表示可以取。
   信号量orange表示盘子中是否有橘子，初值为0表示盘子为空，不许取，orange=1表示可以取。
2. 互斥信号量
   信号量plate，表示是否允许向盘子放入水果，初值为1表示允许放入，且只允许放入一个。

代码

加互斥信号量的代码（推荐）

semaphore plate=1,apple=0,orange=0;

dad(){									//父亲进程
	while(1){
		prepare an apple;
		P(plate);						//互斥向盘中取、放水果
	P(mutex); 
		put the apple on the plate;		//向盘中放苹果
	V(mutex);
		V(apple);						//允许取苹果
	}
}

mom(){									//母亲进程
	while(1){
		prepare an orange;
		P(plate);						//互斥向盘中取、放水果
	P(mutex);
		put the orange on the plate;	//向盘中放橘子
	V(mutex);
		V(orange);						//允许取橘子
	}
}


son () {								//儿子进程
	while(1){
		P (orange);						//互斥向盘中取橘子
	P(mutex);
		take an orange from the plate;
	V(mutex);
		V (plate);						//允许向盘中取、放水果
		eat the orange;
	}
}

daughter (){							//女儿进程
	while (1){
		P (apple);						//互斥向盘中取苹果
	P(mutex);
		take an apple from the plate;
	V(mutex);
		V (plate);						//允许向盘中取、放水果
		eat the apple;
	}
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46

不加上互斥信号量的代码

semaphore plate=1,apple=0,orange=0;

dad(){									//父亲进程
	while(1){
		prepare an apple;
		P(plate);						//互斥向盘中取、放水果
		put the apple on the plate;		//向盘中放苹果
		V(apple);						//允许取苹果
	}
}

mom(){									//母亲进程
	while(1){
		prepare an orange;
		P(plate);						//互斥向盘中取、放水果
		put the orange on the plate;	//向盘中放橘子
		V(orange);						//允许取橘子
	}
}


son () {								//儿子进程
	while(1){
		P (orange);						//互斥向盘中取橘子
		take an orange from the plate;
		V (plate);						//允许向盘中取、放水果
		eat the orange;
	}
}

daughter (){							//女儿进程
	while (1){
		P (apple);						//互斥向盘中取苹果
		take an apple from the plate;
		V (plate);						//允许向盘中取、放水果
		eat the apple;
	}
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38

参考资料

《王道：23操作系统考研复习指导》