在上一篇操作系統基礎14提到通過信號量解決生產者消費者問題。本篇來詳細說說操作系統中的經典問題-生成者消費者問題

生產者消費者問題 (Producer-consumer problem)

該問題是一個著名的同步問題。通俗的描述是：一群生產者進程正在生產產品，并將這些產品提供給消費者進程去消費。為使生產者和消費者能夠并發執行。在兩者之間設置了一個公共區域，生產者進入公共區域生產產品并放入其中。消費者進入公共區域并取走產品進行消費。

當一個生產者進入公共區域生產產品時，其他生產者和消費者不能同時進入公共區域生產產品或消費產品。當一個消費者進入公共區域消費產品的時候，其它消費者和生產者不能同時進入該區域消費產品或生產產品。也就是說，任意時刻，最多只允許一個生產者或一個消費者進入公共區域。即生產者和消費者必須互斥的訪問公共區域。

當產品放滿公共區域時，生產者必須等待，使消費者先消費。當公共區域為空時，消費者必須等待，使生產者先生產。即在公共區域為空或為滿時，生產者或消費者在執行時要滿足一定的先后順序。即生產者與消費者對公共區域的訪問必須同步。

根據以上描述，可以得出如下結論：

(1)生產者與生產者之間存在競爭即互斥關系

(2)消費者與消費者之間存在競爭即互斥關系

(3)生產者與消費者之間存在互斥與同步關系

以上三個結論可以概括為：三種關系，兩種角色，一個臨界區。即“三二一”規則

生產者消費者問題也稱有限緩沖問題(Bounded-buffer problem)，從多線程同步來看，該問題描述了共享固定大小緩沖區的兩個線程——即所謂的“生產者”和“消費者”——在實際運行時會發生的問題。生產者的主要作用是生成一定量的數據放到緩沖區中，然后重復此過程。與此同時，消費者也在緩沖區消耗這些數據。該問題的關鍵就是要保證生產者不會在緩沖區滿時加入數據，消費者也不會在緩沖區中空時消耗數據。
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要解決該問題，就必須讓生產者在緩沖區滿時休眠(要么干脆就放棄數據)，等到下次消費者消耗緩沖區中的數據的時候，生產者才能被喚醒，開始往緩沖區添加數據。同樣，也可以讓消費者在緩沖區空時進入休眠，等到生產者往緩沖區添加數據之后，再喚醒消費者。通常采用進程間通信的方法解決該問題。緩沖區是臨界資源，必須互斥的訪問，所以如果解決方法不夠完善，則容易出現死鎖的情況。出現死鎖時，兩個線程都會陷入休眠，等待對方喚醒自己。該問題也能被推廣到多個生產者和消費者的情形。

有限緩沖問題

問題分析

該問題需要注意的幾點：

• 在緩沖區為空時，消費者不能再進行消費
• 在緩沖區為滿時，生產者不能再進行生產
• 在一個線程進行生產或消費時，其余線程不能再進行生產或消費等操作，即保持線程間的同步
• 注意條件變量與互斥鎖的順序

資源可以使用

由于前兩點原因，因此需要保持線程間的同步，即一個線程消費(或生產)完，其他線程才能進行競爭CPU，獲得消費(或生產)的機會。對于這一點，可以使用條件變量進行線程間的同步：生產者線程在product之前，需要wait直至獲取自己所需的信號量之后，才會進行product的操作；同樣，對于消費者線程，在consume之前需要wait直到沒有線程在訪問共享資源(緩沖區)，再進行consume的操作，之后再解鎖并喚醒其他可用阻塞線程。

等待使用資源

通用實現

也就是上一篇中的通過信號量機制(P、V操作)解決

生產者和消費者進程共享以下數據結構：

int n;? ? ? ? ? //緩沖池有n個緩沖區，每個緩沖區可存一個數據項semaphore? mutex = 1;? ? //信號量 mutex 提供緩沖池訪問的互斥要求，并初始化為1semaphone? empty = n; //信號量 empty 表示空的緩沖區數量semaphone? full = 0? ? ? //信號量 full 表示滿的緩沖區數量

生產者(producer)和消費者(consumer)進程結構：

producer(){ while(1){ 生成一個產品; P(empty); //消耗一個空閑緩沖區 P(mutex); 把產品放入緩沖區; V(mutex); V(full) //增加一個產品 }}consumer(){ while(1){ P(full); //消耗一個產品 P(mutex); 從緩沖區取出一個產品; V(mutex); V(empty); //增加一個空閑緩沖區 使用產品; }}

生產者消費者進程結構

互斥的實現是在同一個進程中進行的一對PV操作。

同步的實現是在兩個進程中進行的，在一個進程中執行P操作，在另一個進程中執行V操作。

能否改變P、V操作的順序

若此時緩沖區內已經放滿產品，則 empty = 0，full = 0

則生產者進程執行① 使mutex變為0，再執行②，由于已沒有空閑緩沖區，因此生產者被阻塞。由于生產者被阻塞，因此切換回消費者進程。消費者進程執行③，由于mutex為0，即生產者還沒釋放對臨界資源的“鎖”，因此消費者也被阻塞。這就造成了生產者等待消費者釋放空閑緩沖區，而消費者又等待生產者釋放臨界區的情況，生產者和消費者循環等待被對方喚醒，出現“死鎖”。

同樣的，如何緩沖區中沒有產品，即 empty = n，full = 0

按③④①的順序執行也會發生死鎖。

因此，實現互斥的P操作一定要在實現同步的P操作之后。V操作不會導致進程阻塞，因此兩個V操作順序可以交換。

小結

生成者和消費者問題是一個互斥、同步的綜合問題。隱含著兩對同步關系。有時候是消費者需要等待生產者生成，有時候是生成者等待消費者消費，這是兩個不同的“一前一后問題”，因此也需要設置兩個同步信號量。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的生产者和消费者代码———操作系统_操作系统基础15-生产者消费者问题的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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