生产者消费者问题(多进程+共享内存+信号量)

本文探讨了Java多线程中的生产者与消费者问题,并通过代码示例介绍了如何利用信号量实现线程间的同步与互斥,确保资源的安全访问。

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最近学习java多线程,遇到生产者,消费者问题。记录一下,加以巩固


生产者和消费者问题是多个相互合作的进程之间的一种抽象。生产者和消费者之间的关系:
1.  对缓冲区的访问是互斥的。由于两者都会修改缓冲区,因此,一方修改缓冲区时,另一方不能修改,这就是互斥。
2.  一方的行为影响另一方。缓冲区不空,才能消费,何时不空?生产了就不空;缓冲区满,就不能生产,何时不满?消费了就不满。这是同步关系。
为了描述这种关系,一方面,使用共享内存代表缓冲区;另一方面,使用 互斥信号量 控制对缓冲区的访问,使用同步信号量描述两者的依赖关系。

使用 hayDato 表示缓冲区中是否有物品,初值为0,即初始时缓冲区没有物品.

使用 vacio 表示缓冲是否为空,初值为1,即初始时可以存入一件物品

使用mutex 来表示互斥信号


代码如下(由于本人所在学校非英语学校,请自动忽略注释区域语言)

import es.upm.babel.cclib.Producto;
import es.upm.babel.cclib.Almacen;
import es.upm.babel.cclib.Semaphore;

// TODO: importar la clase de los semáforos.

/**
 * Implementación de la clase Almacen que permite el almacenamiento
 * de producto y el uso simultáneo del almacen por varios threads.
 */
class Almacen1 implements Almacen {
   // Producto a almacenar: null representa que no hay producto
   private Producto almacenado = null;

   // TODO: declaración e inicialización de los semáforos
   // necesarios
   private Semaphore mutex = new Semaphore(1);
   private Semaphore hayDato = new Semaphore(0);
   private Semaphore vacio = new Semaphore(1);
   public Almacen1() {
   }

   public void almacenar(Producto producto) {
      // TODO: protocolo de acceso a la sección crítica y código de
      // sincronización para poder almacenar.
	   vacio.await();
	   mutex.await();
	  
      // Sección crítica
	
      almacenado = producto;
      mutex.signal();
      hayDato.signal();

      // TODO: protocolo de salida de la sección crítica y código de
      // sincronización para poder extraer.
   }

   public Producto extraer() {
      Producto result;

      // TODO: protocolo de acceso a la sección crítica y código de
      // sincronización para poder extraer.
      hayDato.await();
      mutex.await();
      
      // Sección crítica
      result = almacenado;
      almacenado = null;

      // TODO: protocolo de salida de la sección crítica y código de
      // sincronización para poder almacenar.
      mutex.signal();
      vacio.signal();
      return result;
     
   }
}
生产者消费者问题算法实现》 设计思想 因为有个缓冲区,所以生产者线程没有必要在生成新的数据之前等待最后一个数据被消费者线程处理完毕。同样,消费者线程并不一定每次只能处理一个数据。在缓冲区机制下,线程之间不必互相等待形成死锁,因而提高了效率。   个缓冲区就好像使用一条传送带替代托架,传送带上一次可以放个产品。生产者在缓冲区尾加入数据,而消费者则在缓冲区头读取数据。当缓冲区满的时候,缓冲区就上锁并等待消费者线程读取数据;每一个生产或消费动作使得传送带向前移动一个单位,因而,消费者线程读取数据的顺序和数据产生顺序是相同的。 可以引入一个count计数器来表示已经被使用的缓冲区数量。用hNotEmptyEvent 和hNotFullEvent 来同步生产者消费者线程。每当生产者线程发现缓冲区满( count=BufferSize ),它就等待hNotEmptyEvent 事件。同样,当消费者线程发现缓冲区空,它就开始等待hNotEmptyEvent。生产者线程写入一个新的数据之后,就立刻发出hNotEmptyEvent 来唤醒正在等待的消费者线程;消费者线程在读取一个数据之后,就发出hNotFullEvent 来唤醒正在等待的生产者线程。 程序的设计思想大致为:设置一while循环,pi生产者访问临界区,得到权限访问缓冲区,如果缓冲区满的,则等待,直到缓冲区非满;访问互斥锁,当得到互斥锁且缓冲区非满时,跳出while循环,开始产生新数据,并把数据存放于Buffer缓冲区中,当数据存放结束则结束临界区;接着唤醒消费者线程;ci消费者访问临界区,得到权限访问缓冲区,如果缓冲区为空,没有可以处理的数据,则释放互斥锁且等待,直到缓冲区非空;当等到缓冲区非空时,跳出while循环;消费者获得数据,并根据所获得的数据按类别消费(当消费者获得的数据为大写字母时,则把大写字母转换成小写字母,并显示;当消费者获得的数据为小写字母时,则把小写字母转换成大写字母,并显示;当消费者获得的数据为字符0、1、2、……8、9时,把这些字符直接显示到屏幕;当消费者获得的数据为符号(+、-、*、\……)时,把这些符号打印成7行7列的菱形);处理完数据后,结束临界区;接着唤醒生产者线程。
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