生产者-消费者问题详细分析【操作系统原理】

文章目录

• ​​一，前言​​
• ​​二，问题详解​​

• ​​2.1，知识点​​
• ​​2.2，分析伪代码​​

• ​​2.2.1 总代码​​
• ​​2.2.2 生产者​​
• ​​2.2.3 消费者​​
• ​​2.2.4 联合思考​​

• ​​2.3，问题解决​​

• ​​2.3.1 问题1解决​​
• ​​2.3.2 问题2解决​​
• ​​2.3.3 问题3解决​​

一，前言

生产者-消费者问题是非常经典的进程同步问题。
我今天遇到了几个关于这个知识点的问题，所以把这个问题分析一下：

1. 在生产者－消费者问题中，如果缺少了signal(full)或signal(empty),对执行结果会有何影响?
2. 在生产者－消费者问题中，如果将两个wait操作即wait(full)和wait(mutex)互换位置；或者是将signal(mutex)与signal(full)互换位置结果会如何
3. 给出记录型信号量机制中Wait（S）和Signal（S）操作的描述

二，问题详解

2.1，知识点

生产者-消费者问题是相互合作进程的一种抽象关系，举几个例子：
1.输入时：输入进程是生产者，计算进程的消费者。
2.输出时: 计算进程是生产者，打印进程是消费者。

注意一下：
1.互斥锁的概念和原理
2.缓冲区的作用
3.线程间的同步

2.2，分析伪代码

2.2.1 总代码

分析前需要理解的概念和原理：

1. procuder()：生产者
2. consumer()：消费者
3. empty = n：代表有n个缓冲区
4. mutex互斥信号量
5. empty：代表缓冲池里的空缓存区数量
6. full：代表缓冲池里的满缓存区数量
   wait()和signal(）的详解在下方:
   

先看一下全部的伪代码，如下：

int in = 0, out = 0;
item buffer[n];
semaphore mutex = 1, empty = n, full = 0;
void procuder() {
  do {
      procuder an item nextp;
      ...
      wait(empty);
      wait(mutex);
      buffer[in] = nextp;
      in = (in+1) % n;
      signal(mutex);
      signal(full);
  } while (true);
}

void consumer() {
   do {
       wait(full);//判断是否有满缓冲区，满缓冲区-1
       wait(mutex);
       nextc = buffer[out];
       out = (out+1) % n;
       signal(mutex);
       siganl(empty);//空缓冲区+1
       consumer the item in nextc;
       ....
   } while (true);
}

void main() {
  cobegin
    producer(); consumer();
  coend
}

2.2.2 生产者

代码如下：

void procuder() {
  do {
      procuder an item nextp;
      ...
      wait(empty);
      wait(mutex);
      buffer[in] = nextp;
      in = (in+1) % n;
      signal(mutex);
      signal(full);
  } while (true);
}

我们想象一下，有一个缓存池，里面有n个缓冲区。
程序先调用生产者，现在执行wait(empty)，表示空缓冲区数量-１。（如果大于0的情况）。
接下来执行wait(mutex)，表示数据缓冲区互斥访问，加锁。
下面俩行为具体的生产内容，不用管。

buffer[in] = nextp;
n = (in+1) % n;

执行signal(mutex)，打开数据缓冲区互斥访问锁，允许消费者访问。
执行signal(full)，满缓冲区数量加+1

2.2.3 消费者

代码如下

void consumer() {
   do {
       wait(full);
       wait(mutex);
       nextc = buffer[out];
       out = (out+1) % n;
       signal(mutex);
       siganl(empty);
       consumer the item in nextc;
       ....
   } while (true);
}

执行完毕生产者之后执行消费者。
先执行wait(full)，这里的full是生产者执行完之后，记录的满缓存区数量，我们需要先确定有满缓冲区，然后将他-1，否则进入等待状态。
执行wait(mutex)，这里的互斥锁的作用就体现出来了，如果生产者执行完毕生产过程后，开锁，消费者才可以执行这部，否则处于等待状态。如果目前没有上锁的话，执行下面的步骤，mutex加锁，防止生产者运行。
执行消费过程，这里先不用管：

nextc = buffer[out];
out = (out+1) % n;

执行完消费过程，后执行signal(mutex)开锁，此时生产者可以开始生产过程。
最后执行siganl(empty)空缓冲区数量+1，因为消费了应该满缓存区，前面满缓存区数量也-1了。

2.2.4 联合思考

因为缓冲区不允许多个进程运行，所以设置互斥锁。
看一下互斥锁，互斥锁mutex初始值为1。执行上锁过程之后-1，变为0，成为上锁状态，此时消费者进入等待状态。

2.3，问题解决

2.3.1 问题1解决

在生产者－消费者问题中，如果缺少了signal(full)或signal(empty),对执行结果会有何影响?
我们可以想一下，如果没有signal(full)满缓存区数量+1的话，在生产者执行完毕后，full依然为0，执行消费者的时候，因为full为0，判断为现在缓冲池没有满缓存区，而进入等待状态。
如果缺少signal(empty)，空缓冲区+1的话，因为empty初始值为n，执行n次生产者之后empty为0，之后会让生产者一直处于等待状态。

2.3.2 问题2解决

在生产者－消费者问题中，如果将两个wait操作即wait(full)和wait(mutex)互换位置；或者是将signal(mutex)与signal(full)互换位置结果会如何
如果full处于缓存池全满的情况下，继续执行生产者的话，锁开着，加速执行之后，signal(full)会继续加一，超出了缓存池的大小，造成死锁。

2.3.3 问题3解决