【操作系统】生产者消费者问题

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。

问题分析

缓冲区是有容量限制的，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。

如果此时缓冲区已经满了，那么生产者如果想要继续往缓冲区写入数据的话，只能先将自己阻塞。

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。

消费者进程想要从缓冲区取走产品时，当一个消费者从缓冲区中取走一个产品后，生产者可以继续生产，如果此时有生产者进程是处于阻塞态的，那么消费者进程需要将生产者进程给唤醒，让它重新回到就绪态。不过生产者进程只是回到了就绪态，这并不代表生产者可以立即往缓冲区写入数据，所以接下来可能是消费者进程继续陆续从缓冲区中取走数据，需要注意的是：只有缓冲区不空的时候，消费者进程才可以从缓冲区中取走数据，不然的话消费者进程只能阻塞等待。
缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。

假如此时有两个生产者进程正在并发的运行中，第一个生产者进程发现缓冲区都是空的，选择了一块区域进行写入数据，第二个生产者进程并发运行中也发现了缓冲区都是空的，选择了与前一个生产者进程同一块区域进行写入数据，那么第二个生产者写入的数据会覆盖掉前一个生产者写入的数据。

只有当缓冲区有产品（缓冲区不空）的时候，消费者才能进行消费，只有当缓冲区没满的时候，生产者才能进行生产。所以此时我们需要设置两个同步信号量 full 和 empty。然后分别在前后的动作执行PV操作。

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

producer(){		//生产者进程
	while(1){
		生产一个产品；
		P(empty); //消耗一个空闲缓冲区 
		P(mutex); //对进程上锁
		把产品放入缓冲区；
		V(full);  //增加一个产品，资源数量加1
		V(full);  //对进程解锁
	}
}

consumer(){		//消费者进程
	while(1){
		从缓冲区取出一个产品；
		P(full);  //消耗一个产品（非空缓冲区）
		P(mutex); //对进程上锁
		使用产品；
		V(empty);  //增加一个空闲缓冲区
		V(full);  //对进程解锁
	}
}

实现互斥是在同一进程中进行一对PV操作。
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。执行V操作的进程会唤醒对应的执行P操作的进程


有时候是消费者需要等待生产者生产，有时候是生产者需要等待消费者消费，这是两个不同的“一前一后的问题”，因此也需要设置两个同步的信号量。
实现互斥和实现同步的两个P操作的先后顺序（死锁问题），实现互斥的p操作必须在实现同步的p操作之后，否则会导致死锁问题。