操作系統——生產者-消費者問題

一、簡單生產者-消費者問題

問題描述：一組生產者進程和一組消費者進程共享一個初始為空、大小為 n 的緩沖區，只有緩沖區沒滿時，生產者才能把消息放入到緩沖區，否則必須等待；只有緩沖區不為空時，消費者才能從中取出消息，否則必須等待。由於緩沖區是臨界資源，它只允許一個生產者放入消息，或者一個消費者從中取出消息。

問題分析：

　　（1）關系分析。生產者和消費者對緩沖區互斥訪問是互斥關系，同時生產者和消費者又是一個相互協作的關系，只有生產者生產后消費者才能消費，也是同步關系

　　（2）整理思路。只有生產者、消費者兩個進程，且存在互斥和同步關系。所以需要解決的是互斥和同步 P V 操作的位置

　　（3）信號量設置。信號量 mutex 作為互斥信號量，用於控制互斥訪問緩沖池，初值為 1 ；信號量 full 用於記錄緩沖池中滿緩沖區數，初值為 0 ；信號量 empty 用於記錄緩沖池中空緩沖區數，初值為 n。

進程偽代碼描述：

semaphore mutex = 1;           // 臨界區互斥信號量
semaphore empty = n;           // 空閑緩沖區
semaphore full = 0;            // 滿緩沖區

producer() {
    while(1){
        生產數據;
        P(empty);
        P(mutex);
        將數據放入緩沖區;
        V(mutex);
        V(full);
    }
}

Customer() {
    while(1){
        P(full);
        P(mutex);
        將數據沖緩沖區取出;
        V(mutex);
        V(empty);
        使用數據;
    }
}

 

二、橘子-蘋果問題

問題描述：桌子上有一只盤子，每次只能向其中放入一個水果。爸爸專向盤子中放蘋果，媽媽專向盤子中放橘子，兒子專吃橘子，女兒專吃蘋果。只要盤子為空，爸爸媽媽就可以向盤子中放一個水果；只有盤子中有想吃的水果時，兒子女兒才能取出一個水果吃

問題分析：

　　（1）關系分析：爸爸媽媽是互斥關系，臨界資源為盤子；爸爸和女兒、媽媽和兒子是同步關系，且這兩對進程必須連起來；兒子和女兒之間沒有互斥同步關系。

　　（2）整理思路：可以抽象為兩個生產者和兩個消費者被連接到大小為 1 的緩沖區上。

　　（3）信號量設置：首先設置信號量 plate 為互斥信號量，初值為 1；信號 apple 為同步信號量，初值為 0；信號 orange 為同步信號量，初值為 0。

進程偽代碼描述：

semaphore plate = 1;      // 盤子
semaphore apple = 0;     // 蘋果
semaphore orange = 0;   // 橘子

Father() {
    while(1){
        准備一個蘋果;
        P(plate);
        將蘋果放入盤子中;
        V(apple);
    }
}

Mother() {
    while(1){
        准備一個橘子;
        P(plate);
        將橘子放入盤子中;
        V(orange);
    }
}

Son() {
    while(1){
        P(orange);
        將橘子取出;
        V(plate);
        吃橘子;
    }
}

Daughter() {
    while(1){
        P(apple);
        將蘋果取出;
        V(plate);
        吃蘋果;
    }
}