1.生产者消费者问题

1.1 问题描述

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产品并使用。（注：这里的“产品”理解为某种数据）

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。(缓冲区没空——>消费者消费)
缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。(互斥关系)

1.2 问题分析

PV操作题目分析步骤：

1. 关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、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。并根据题目条件确定信号量初值。（互斥信号量初值一般为1，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少）

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

1.3 如何实现

1.4 思考

思考：能否改变相邻P、V操作的顺序？

① -> ② -> ③

若此时缓冲区内已经放满产品，则empty=0，full=n。

则生产者进程执行①使mutex变为0，再执行②，由于已没有空闲缓冲区，因此生产者被阻塞。由于生产者阻塞，因此切换回消费者进程。消费者进程执行③，由于mutex为0，即生产者还没释放对临界资源的“锁”，因此消费者也被阻塞。这就造成了生产者等待消费者释放空闲缓冲区，而消费者又等待生产者释放临界区的情况，生产者和消费者循环等待被对方唤醒，出现“死锁”。

③ -> ④ -> ①

同样的，若缓冲区中没有产品，即full=0，empty=n。按③④① 的顺序执行就会发生死锁。

因此，实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后。
V操作不会导致进程阻塞，因此两个V操作顺序可以交换。

1.5 小结

易错点：实现互斥和实需要“前V后P”现同步的两个P操作的先后顺序（死锁问题）

2.多生产者 - 多消费者

2.1 问题描述

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。

2.2 问题分析

• 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. 父亲将苹果放入盘子后，女儿才能取苹果

2. 母亲将橘子放入盘子后，儿子才能取橘子

3. 只有盘子为空时，父亲或母亲才能放入水果

2.3 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

问题：可不可以不用互斥信号量？

结论：即使不设置专门的互斥变量mutex，也不会出现多个进程同时访问盘子的现象

原因在于:本题中的缓冲区大小为1，在任何时刻，apple、 orange、 plate 三个同步信号量中最多只有一个是1。因此在任何时刻，最多只有一个进程的P操作不会被阻塞，并顺利地进入临界区…

semaphore apple = 0; // 盘子中有几个苹果
semaphore orange = 0; // 盘子中有几个橘子
semaphore plate = 2; // 盘子中还可以放多少个水果

父亲P(plate) ，可以访问盘子 -----> 母亲P(plate) ，可以访问盘子 ----->父亲在往盘子里放苹果，同时母亲也可以往盘子里放橘子。于是就出现了两个进程同时访问缓冲区的情况，有可能导致两个进程写入缓冲区的数据相互覆盖的情况。

因此，如果缓冲区大小大于1，就必须专门设置一个互斥信号量 mutex 来保证互斥访问缓冲区。

2.4 小结

总结：在生产者 - 消费者问题中，如果缓冲区大小为1，那么有可能不需要设置互斥信号量就可以实现互斥访问缓冲区的功能。当然，这不是绝对的，要具体问题具体分析。

建议：在考试中如果来不及仔细分析，可以加上互斥信号量，保证各进程一定会互斥地访问缓冲区。但需要注意的是，实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后，否则可能引起“死锁”。

PV 操作题目的解题思路：

1. 关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、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。
   要在实现同步的P操作之后，否则可能引起“死锁”。

PV 操作题目的解题思路：

1. 关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、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。设置需要的信号量，并根据题目条件确定信号量初值。（互斥信号量初值一般为1，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少）