2.16、生产者-消费者问题_生产者消费者问题如果两个进程同时进入缓冲区会产生什么后果-优快云博客

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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。

只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。

同步关系。缓冲区满时，生产者要等待消费者取走产品

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。

同步关系。缓冲区为空时，消费者要等待生产者放入产品

缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问

若其他进程并发地向缓冲区放入数据，会导致之前的数据会被覆盖

如何用信号量机制（P 、V 操作）实现生产者、消费者进程的这些功能呢?

信号量机制可实现互斥、同步、对一类系统资源的申请和释放。

设置初值为 $1$ 的互斥信号量
设置初值为 $0$ 的同步信号量（实现 “一前一后”）
设置一个信号量，初始值即为资源的数量（本质上也属于“同步问题”，若无空闲资源，则申请资源的进程需要等待别的进程释放资源后才能继续往下执行)

1、PV 操作题目分析步骤

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
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。设置需要的信号量，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，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少）

生产者每次要消耗（P）一个空闲缓冲区，并生产（V）一个产品

消费者每次要消耗（P）一个产品，并且释放一个空闲缓冲区（V）

往缓冲区中放入/取走产品需要互斥

2、能否改变相邻 P、V 操作的顺序？

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， $\color{red}实现互斥的\texttt{P}操作一定要在实现同步的\texttt{P}操作之后$ 。

V 操作不会导致进程阻塞，因此 $\color{red}两个\text{V}操作顺序可以交换$

若放到 PV 操作之间会导致并发度降低，消费者花费更多的时间去使用产品，此时还没有释放临界资源，会导致生产者不断地等待消费者。

例如：业务代码放入核心代码里

3、Java 案例

import java.util.Deque;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

class ProducerConsumerByLock {
    //互斥资源
    private static Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();
    //最大容量
    private static int maxSize = 5;
    private static Lock lock = new ReentrantLock(false);
    private static Condition full = lock.newCondition();
    private static Condition empty = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            CompletableFuture.runAsync(new Producer());
        }
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            CompletableFuture.runAsync(new Consumer());
        }
        //CompletableFuture.runAsync(new Consumer()); 产生的进程默认是守护进程
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    //生产者
    public static class Producer implements Runnable {
        public void produce() {
            while (true) {
                lock.lock();
                try {
                    while (queue.size() == maxSize) {
                        System.out.println("产品已满, 等待消费者进行消费, 当前生产者: " + Thread.currentThread().getName());
                        //阻塞生产者, 并释放当前线程的锁
                        try {
                            full.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }

                    //生产产品
                    queue.offerLast(1);
                    //日志打印, 业务逻辑尽量放在锁外面 , 这里只是为了顺序打印到控制台
                    System.out.println("当前生产者生产产品 " + 1 + ", 当前生产者: " + Thread.currentThread().getName());
                    //唤醒其他所有的消费者与生产者
                    empty.signalAll();
                    full.signalAll();//并发, 让其他生产者也参与竞争
                } finally {
                    lock.unlock();
                }

                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        @Override
        public void run() {
            produce();
        }
    }

    //消费者
    public static class Consumer implements Runnable {
        //消费产品
        public void consume() {
            while (true) {
                int x;
                lock.lock();
                try {
                    while (0 == queue.size()) {
                        System.out.println("产品为空, 等待生产者进行生产, 当前消费者: " + Thread.currentThread().getName());
                        //阻塞消费者者, 并释放当前线程的锁
                        try {
                            empty.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }

                    //从缓冲区获取资源
                    x = queue.poll();
                    //日志打印, 业务逻辑尽量放在锁外面 , 这里只是为了顺序打印到控制台
                    System.out.println("消费者消费产品 " + x + ", 当前消费者: " + Thread.currentThread().getName());
                    //唤醒其他所有的消费者与生产者
                    empty.signalAll();//并发, 让其他消费者也参与竞争
                    full.signalAll();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }

                //防止一瞬间消费完成
                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

        @Override
        public void run() {
            consume();
        }
    }

}

stdout：

当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-9
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-11
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-2
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-4
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-6
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-13
产品为空, 等待生产者进行生产, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-6
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-2
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-6
产品为空, 等待生产者进行生产, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-4
产品为空, 等待生产者进行生产, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-13
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-2
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-4
产品为空, 等待生产者进行生产, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-13
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-9
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-13
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-11
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-6
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-9
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-13
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-9
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-4
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-2
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-4
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-11
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-2
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-6
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-9
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-4
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-9
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-13
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-13
产品为空, 等待生产者进行生产, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-4
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-2
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-4
产品为空, 等待生产者进行生产, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-13
当前生产者生产产品 1, 当前生产者: ForkJoinPool.commonPool-worker-11
消费者消费产品 1, 当前消费者: ForkJoinPool.commonPool-worker-13