生产者-消费者问题

一.问题描述

系统中有一组生产者进程和消费者进程，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。

其中，缓冲区的容量为n。

 上图是生产者-消费者问题的模型图

二.解题思路

根据题意存在互斥与同步关系

互斥

1.生产者与生产者之间存在互斥关系，因为缓冲区属于临界资源，同时有两个生产者占用时会出现重写现象。

2.消费者与消费者之间存在互斥关系，因为消费者占用缓冲区时，会直接取出数据，当多个消费者占用时，会出现访问错误。

3.生产者与消费者之间存在互斥关系。

同步

1.当缓冲区没有数据时，生产者先占用缓冲区，生产数据，消费者才能占用缓冲区，取出数据。

2.当缓冲区满的时候，消费者先占用缓冲区，取出数据，生产者才能占用缓冲区，生产数据。

 当缓冲区为5时，代码如下：

semaphore mutex=1,empty=5,full=0
//p0生产者
p0(    ){
    while(1){
        生产数据
        p(empty);    //实现消费者先占用缓冲区，取出数据，生产者才能占用缓冲区，生产数据。
        p(mutex);    //实现互斥
        把数据放进缓冲区
        v(mutex);
        v(full);    
    }
}
//p1消费者
p1(    ){
    while(1){
        p(full);    //实现生产者先占用缓冲区，生产数据，消费者才能占用缓冲区，取出数据。
        p(mutex);    //实现互斥
        从缓冲区取出一个产品
        v(mutex);
        v(empty);
        使用数据
    }
}

mutex=1，p(mutex)，v(mutex)实现互斥

当生产者运行代码时，运行过p(mutex)时，mutex为0，如果进程调用到消费者或者其他生产者时，运行到p(mutex)时，由于mutex=0进程会进入阻塞队列，只有运行到之前生产者的v(mutex)时，才能访问其他消费者或者生产者。

前v后p实现同步操作

full=0，p0{  ...v(full)；  }，p1{  p(full)；...  }由于full=0只有先由p0生产者运行完，full=1后，p1才能运行。

empty=5，代表缓冲区的容量为5，每经历一个p(empty)，存入数据，缓冲区减一，为防止缓冲区满的时候，生产者继续存入数据。p0{  p(empty)；...  }，p1{  ...v(empty)；  }，当数据存入5个时，empty=0，p0生产者运行p(empty)，将进入阻塞态，只有运行p1的v(empty)后，empty-1，生产者才能继续访问缓冲区存数据。

注：互斥的p操作一定要在实现同步的p操作之后

交换后

semaphore mutex=1,empty=5,full=0
//p0生产者
p0(    ){
    while(1){
        生产数据
        p(mutex);    //实现互斥
        p(empty);    //实现消费者先占用缓冲区，取出数据，生产者才能占用缓冲区，生产数据。
       
        把数据放进缓冲区
        v(mutex);
        v(full);    
    }
}
//p1消费者
p1(    ){
    while(1){
        p(mutex);    //实现互斥
        p(full);    //实现生产者先占用缓冲区，生产数据，消费者才能占用缓冲区，取出数据。
        
        从缓冲区取出一个产品
        v(mutex);
        v(empty);
        使用数据
    }
}

假如empty=0，mutex=1，运行p0，运行p(mutex)；p(empty)；后mutex=0，同时由于empty=0，p0进程进入阻塞态，调用p1进程，运行 p(mutex)；由于mutex=0，所以p1也进入阻塞态造成了“死锁”。