在上一篇操作系統(tǒng)基礎(chǔ)14提到通過信號量解決生產(chǎn)者消費者問題。本篇來詳細說說操作系統(tǒng)中的經(jīng)典問題-生成者消費者問題

生產(chǎn)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(chǎn)者進程正在生產(chǎn)產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品提供給消費者進程去消費。為使生產(chǎn)者和消費者能夠并發(fā)執(zhí)行。在兩者之間設(shè)置了一個公共區(qū)域，生產(chǎn)者進入公共區(qū)域生產(chǎn)產(chǎn)品并放入其中。消費者進入公共區(qū)域并取走產(chǎn)品進行消費。

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

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

根據(jù)以上描述，可以得出如下結(jié)論：

(1)生產(chǎn)者與生產(chǎn)者之間存在競爭即互斥關(guān)系

(2)消費者與消費者之間存在競爭即互斥關(guān)系

(3)生產(chǎn)者與消費者之間存在互斥與同步關(guān)系

以上三個結(jié)論可以概括為：三種關(guān)系，兩種角色，一個臨界區(qū)。即“三二一”規(guī)則

生產(chǎn)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(qū)的兩個線程——即所謂的“生產(chǎn)者”和“消費者”——在實際運行時會發(fā)生的問題。生產(chǎn)者的主要作用是生成一定量的數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)中，然后重復此過程。與此同時，消費者也在緩沖區(qū)消耗這些數(shù)據(jù)。該問題的關(guān)鍵就是要保證生產(chǎn)者不會在緩沖區(qū)滿時加入數(shù)據(jù)，消費者也不會在緩沖區(qū)中空時消耗數(shù)據(jù)。
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要解決該問題，就必須讓生產(chǎn)者在緩沖區(qū)滿時休眠(要么干脆就放棄數(shù)據(jù))，等到下次消費者消耗緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)的時候，生產(chǎn)者才能被喚醒，開始往緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)。同樣，也可以讓消費者在緩沖區(qū)空時進入休眠，等到生產(chǎn)者往緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)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(qū)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(xiàn)死鎖的情況。出現(xiàn)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(chǎn)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(qū)為空時，消費者不能再進行消費
• 在緩沖區(qū)為滿時，生產(chǎn)者不能再進行生產(chǎn)
• 在一個線程進行生產(chǎn)或消費時，其余線程不能再進行生產(chǎn)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(chǎn))完，其他線程才能進行競爭CPU，獲得消費(或生產(chǎn))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(chǎn)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?jīng)]有線程在訪問共享資源(緩沖區(qū))，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(xiàn)

也就是上一篇中的通過信號量機制(P、V操作)解決

生產(chǎn)者和消費者進程共享以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

int n;? ? ? ? ? //緩沖池有n個緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)可存一個數(shù)據(jù)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(qū)數(shù)量semaphone? full = 0? ? ? //信號量 full 表示滿的緩沖區(qū)數(shù)量

生產(chǎn)者(producer)和消費者(consumer)進程結(jié)構(gòu)：

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

生產(chǎn)者消費者進程結(jié)構(gòu)

互斥的實現(xiàn)是在同一個進程中進行的一對PV操作。

同步的實現(xiàn)是在兩個進程中進行的，在一個進程中執(zhí)行P操作，在另一個進程中執(zhí)行V操作。

能否改變P、V操作的順序

若此時緩沖區(qū)內(nèi)已經(jīng)放滿產(chǎn)品，則 empty = 0，full = 0

則生產(chǎn)者進程執(zhí)行① 使mutex變?yōu)?，再執(zhí)行②，由于已沒有空閑緩沖區(qū)，因此生產(chǎn)者被阻塞。由于生產(chǎn)者被阻塞，因此切換回消費者進程。消費者進程執(zhí)行③，由于mutex為0，即生產(chǎn)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(chǎn)者等待消費者釋放空閑緩沖區(qū)，而消費者又等待生產(chǎn)者釋放臨界區(qū)的情況，生產(chǎn)者和消費者循環(huán)等待被對方喚醒，出現(xiàn)“死鎖”。

同樣的，如何緩沖區(qū)中沒有產(chǎn)品，即 empty = n，full = 0

按③④①的順序執(zhí)行也會發(fā)生死鎖。

因此，實現(xiàn)互斥的P操作一定要在實現(xiàn)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(jié)

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(guān)系。有時候是消費者需要等待生產(chǎn)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(shè)置兩個同步信號量。

總結(jié)

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(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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