生产者-消费者问题

问题描述

有一群生产者进程在生产产品,并将这些产品提供给消费者进程去消费.为使生产者进程与消费者进程能并发执行,在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池,生产者进程将它所生产的产品放入一个缓冲区中;消费者进程可以从一个缓冲区中取走产品去消费。

问题的解？

代码

用一个指针in来指示下一个可利用的空缓冲区，用一个指针out来表示下一个可利用的满缓冲区。代码如下：

int in=0,out=0;
void producer()    //生产者程序
{
    while(true)
    {
        item=produceItem();    //生产一个产品
        putItemIntoBuffer(item);    //将产品放入缓冲区
        in=(in+1)mod n;    //修改指针位置
    }
}

void consumer()    //消费者程序
{
    while(true)
    {
        item=removeItemFromBuffer();    //从缓冲区取走一个产品
        out=(out+1)mod n;    //修改指针位置
        consumeItem(item);    //消费该产品
    }
}

分析

虽然上述的生产者和消费者程序在分别看时都是正确的，即使是顺序执行时结果也是对的，但是，当存在多个生产者，消费者时，就会出现错误，主要体现在以下方面：

1. 同步问题

即：不允许消费者进程到一个空缓冲区去取产品，也不允许生产者进程向一个满缓冲区投放产品。在上述程序中，这些情况均未加以控制。因此，可利用信号量empty和full分别表示缓冲区中空缓冲区和满缓冲区的资源数量。同时，假定只要缓冲区未满，生产者便可将产品送入缓冲区；只要缓冲区未空，消费者便可缓冲区中取走一个产品。

2.互斥问题

由于缓冲区是由生产者和消费者共享的存储空间，应当互斥访问，即：生产者修改缓冲区时，禁止消费者从缓冲区中取走数据；反之亦然。为此，可以利用互斥信号量mutex实现进程对缓冲区的互斥访问。

问题的解！

伪代码

至此，对生产者-消费者问题，伪码可修改如下：

int in=0,out=0;
semaphore empty,full,mutex;
empty.value=n;    //空缓冲区资源信号量，初始状态有n个空的缓冲区
full.value=0;    //满缓冲区资源信号量，初始状态有0个满缓冲区
mutex.value=0;    //缓冲区互斥访问量

void producer()    //生产者程序
{
    while(true)
    {
        item=producerItem();    //生产一个产品
        p(empty);    //申请一个空缓冲区。如有，继续执行；否则，此处进程挂起
        p(mutex);    //如果没有其他进程访问缓冲区，继续执行；否则，进程挂起
        putItemIntoBuffer(item);    //将产品放入缓冲区
        in=(in+1)mod n;    //修改指针位置
        v(mutex);    //解锁，离开缓冲区，如果有其他进程等待进入，则唤醒
        v(full);    //增加一个满缓冲区，如果有消费者等待，则唤醒
    }
}

void consumer()    //消费者程序
{
    while(true)
    {
        p(full);    //如果有满缓冲区，则继续执行；否则，挂起
        p(mutex);    //如果没有其他进程访问缓冲区，继续执行；否则，挂起
        item=removeItemFromBuffer();    //从缓冲区取走一个产品
        out=(out+1)mod n;    //修改指针位置
        consume(item);    //消费产品
        v(mutex);    //解锁，离开缓冲区，如果有其他进程等待进入，则唤醒
        v(empty);    //增加一个空缓冲区，如果有生产者等待，则唤醒
    }
}

总结

• 首先，在每个进程中用于实现互斥的p(mutex)和v(mutex)必须成对出现。
• 其次，对资源信号量empty和full的p、v操作，同样需要成对出现，但他们分别处于不同的进程中。
• 最后，在每个程序中的多个p操作不能颠倒，应该先执行对资源信号量的p操作，然后再执行对互斥信号量的v操作，否则可能引起进程死锁。