《操作系统》-生产者消费者问题

article/2025/11/10 2:44:59

什么是生产者消费者问题？

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进程并使用，那么他们之间具有这样一层关系
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 (缓冲区没满->生产者生产)
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 (缓冲区不空->消费者消费)
缓冲区是临界资源，各进程访问时要求互斥 (互斥访问)
在这里插入图片描述

对生产者消费者问题进行分析

由上面的描述可知：要执行生产者生产操作的前提条件是缓冲区没满，而执行消费者消费的前提条件是缓冲区不空。上一篇文章我们说过如何用信息量机制来实现进程的同步，还不熟悉的小伙伴可以参考一下这篇文章如何用信息量机制实现进程互斥、进程同步和前驱关系
在前操作之后对相应的同步信息量执行V操作
在后操作之前对相应的同步信息量执行P操作
所以他们之间是这样的关系
在这里插入图片描述
代码可以这么来写

semaphore mutex = 1; //互斥信号量，实现对缓冲区的互斥访问
semaphore empty = n; //同步信号量，表示空闲缓冲区的数量
semaphore full = 0; //同步信号量，表示产品的数量，也即非空缓冲区的数量

生产者生产

producer (){
while(1){
生产一个产品;
P(empty);
P(mutex);
把产品放入缓冲区;
V(mutex);
V(full);
} }

P(mutex)和V(mutex)实现进程的互斥访问，P(empty)实现让缓冲区没满作为生产者生产的前操作，即当empty==0时即无空闲缓冲区数量时，让消费者消费作为生产者生产的前操作
V(full)实现让缓冲区不空作为消费者消费的前操作，即当full==0时即缓冲区全为空时，让生产者生产作为消费者消费的前操作
消费者消费

consumer (){
while(1){
P(full);
P(mutex);
从缓冲区取出一个产品;
V(mutex);
V(empty);
使用产品; }

P(mutex)和V(mutex)实现进程的互斥访问，V(empty)实现让缓冲区没满作为生产者生产的前操作，即当empty==0时即无空闲缓冲区数量时，让消费者消费作为生产者生产的前操作
P(full)实现让缓冲区不空作为消费者消费的前操作，即当full==0时即缓冲区全为空时，让生产者生产作为消费者消费的前操作

思考：能否改变相邻P、V操作的顺序？

如果将上述的代码改为这样会产生怎样的影响呢？

producer (){
while(1){
生产一个产品;
P(mutex);// ①
P(empty);// ② 把产品放入缓冲区;
V(mutex);
V(full);
} }
consumer (){
while(1){
P(mutex);// ③
P(full);// ④ 从缓冲区取出一个产品;
V(mutex);
V(empty);
使用产品; } }

若此时缓冲区内已经放满产品，则empty=0,full=n。
则生产者在执行①操作时使mutex变为0，再执行②，由于已经没有空闲缓冲区了所以生产者会被堵塞，并且在消费者进程执行时，执行到③操作时，由于mutex为0，也会被堵塞。
这就导致了生产者在等待消费者是否空闲缓冲区，而消费者等待生产者释放临界资源的情况，生产者和消费者就这样循环等待被对方唤醒，出现了“死锁”的情况。
同样的，在缓冲区全为空的情况下，即empty=n,full=0时，按③④①的顺序执行也会发生“死锁”。
因此，统一一下：实现进程互斥的P操作要在实现进程同步的P操作之后
V操作不会导致进程堵塞，因此V操作的顺序可以调换

总结
对于生产者消费者问题的要求做一下总结
1、生产者、消费者共享一个初始值为空，大小为n的缓冲区 刚开始空闲缓冲区的数量为n,非空闲缓冲区的数量为0
2、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
3、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生产
4、缓冲区是临界资源，各进程访问时要求互斥互斥

多生产者-多消费者问题

举个例子来说明多生产者-多消费者问题
桌子上有一只盘子，每次只能向其中放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，儿子专等着吃盘子中的橘子，女儿专等着吃盘子中的苹果。只有盘子空时，爸爸或妈妈才可向盘子中放一个水果。仅当盘子中有自己需要的水果时，儿子或女儿可以从盘子中取出水果。用PV操作实现上述过程。
在这里插入图片描述
对于解决这种问题，我们需要进行以下步骤：
1、关系分析，找出题目中描述的各个进程，分析他们之间的同步、互斥关系
2、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
3、设置信号量，设置所需要的信号量并且根据题目要求设置信号量的初值

对于上述题目我们所确立的关系为：
互斥关系：(mutex = 1)
对缓冲区（盘子）的访问要互斥地进行
同步关系：(一前一后)
1、父亲将🍎放入盘子后，女儿才能取🍎
2、母亲将🍊放入盘子后，儿子才能取🍊
3、只有盘子为空时，父亲或母亲才能放入水果

如何实现

semaphore mutex = 1; //实现互斥访问盘子（缓冲区）
semaphore apple = 0; //盘子中有几个苹果
semaphore orange = 0; //盘子中有几个橘子
semaphore plate = 1; //盘子中还可以放多少个水果

dad (){
while(1){
准备一个苹果;
P(plate);
P(mutex);
把苹果放入盘子;
V(mutex);
V(apple);} 
}mom (){
while(1){
准备一个橘子;
P(plate);
P(mutex);
把橘子放入盘子;
V(mutex);
V(orange);} 
}daughter (){
while(1){
P(apple);
P(mutex);
从盘中取出苹果;
V(mutex);
V(plate);
吃掉苹果; } 
}son (){
while(1){
P(orange);
P(mutex);
从盘中取出橘子;
V(mutex);
V(plate);
吃掉橘子;} 
}