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

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
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
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

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

生产者消费者问题是一个互斥、同步的综合问题。
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。
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。
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）
图：