操作系统笔记-2.3.5.1.1生产者-消费者问题

王道操作系统笔记,视频链接:2.3.5.1.1生产者-消费者问题

问题描述

  1. 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 (即存在空位置的缓冲区)时,生产者才能把产品放入缓冲区,否则必须等待 。
      • 缓冲区没满→生产者生产
      • 缓冲区满时,生产者必须等待
    • 只有缓冲区不空 (即存在有数据的缓冲区)时,消费者才能从中取出产品,否则必须等待 。
      • 缓冲区没空→消费者消费
      • 缓冲区空时,消费者必须等待
    • 缓冲区是临界资源,各进程必须互斥地访问 。(互斥关系)
      • 如果不互斥访问,可能出现不同生产者进程互相覆盖缓冲区的问题
  2. PV操作步骤分析:
    • 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。
    • 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。
    • 设置信号量。并根据题目条件确定信号量初值。(互斥信号量初值一般为1,同步信号量的初值要看对应资源的初始值是多少)
    • 缓冲区没空→消费者消费,设定信号量full
    • 缓冲区没满→生产者生产,设定信号量empty
    • 互斥信号量,设定为mutex
  3. 代码实现:
cpp 复制代码
// 信号量声明
semaphore mutex = 1;   //互斥信号量,实现对缓冲区的互斥访问
semaphore empty = n;   //同步信号量,表示空闲缓冲区的数量
semaphore full = 0;    //同步信号量,表示产品的数量,也即非空缓冲区的数量
cpp 复制代码
// 生产者进程
producer () {
    while(1) {
        生产一个产品;
        P(empty);      // 消耗一个空闲缓冲区
        P(mutex);      // 实现互斥是在同一进程中进行一对PV操作
        把产品放入缓冲区;
        V(mutex);
        V(full);       // 增加一个产品
    }
}
cpp 复制代码
// 消费者进程
consumer () {
    while(1) {
        P(full);       // 消耗一个产品(非空缓冲区)
        P(mutex);
        从缓冲区取出一个产品;
        V(mutex);
        V(empty);      // 增加一个空闲缓冲区
        使用产品;
    }
}
// 实现两进程的同步关系,是在其中一个进程中执行P,另一进程中执行V,
// 即代码块中的P(full)和V(full)部分
  1. 思考:能否改变相邻的P操作或者V操作的顺序?(比如交换P(full)和P(mutex))
    • 如下代码所示,若此时缓冲区内已经放满产品,则 empty=0, full=n。
    • 则生产者进程执行①使mutex变为0,再执行②,由于已没有空闲缓冲区,因此生产者被阻塞。
    • 由于生产者阻塞,因此切换回消费者进程。消费者进程执行③,由于mutex为0,即生产者还没释放对临界资源的"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"。
    • 同样的,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 。
      • 其实就是可能导致应该后实现的进程占据了互斥锁,但是又需要等待应该先实现的进程,但是先实现的进程拿不到互斥锁,也就运行不了。
    • V操作不会导致进程阻塞,因此两个V操作顺序可以交换。
    • 代码:
cpp 复制代码
producer () {
    while (1) {
        生产一个产品;
        P(mutex);       // ①
        P(empty);       // ②
        把产品放入缓冲区;
        V(mutex);
        V(full);
    }
}
consumer () {
    while (1) {
        P(mutex);       // ③
        P(full);        // ④
        从缓冲区取出一个产品;
        V(mutex);
        V(empty);
        使用产品;
    }
}
    • 生产产品和使用产品的代码是否可以放到PV操作之间?
      • 逻辑上可以,但是会让临界区代码变长,进程对临界区上锁的时间也会增长,这不利于各个进程交替使用临界区资源,所以不建议这么做,临界区的代码需要尽可能短。

知识回顾与重要考点

  1. 生产者消费者问题是一个互斥、同步的综合问题。
  2. 对于初学者来说最难的是发现题目中隐含的两对同步关系。
  3. 有时候是消费者需要等待生产者生产,有时候是生产者要等待消费者消费,这是两个不同的"一前一后问题",因此也需要设置两个同步信号量。
  4. 易错点:实现互斥和实现同步的两个P操作的先后顺序(死锁问题)
  5. 图:
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