2.15 生产者消费者问题
Dijkstra对同步问题的抽象
抽象解释
- 一个或多个生产者生产资源，放入临界区
- 一次仅有一个消费者访问临界区并消耗资源
- 每次仅有一名生产者/消费者访问临界区
- 临界区满时生产者不会继续添加资源
- 临界区空时消费者不会继续消耗资源
流程图
要使用一个空间信号量告知生产者有无空间
要使用一个资源信号量告知消费者有无资源
2.15.1 生产者消费者问题要点
- 先申请资源，再申请互斥，顺序不可颠倒，否则假设消费者P0申请了互斥后，等待资源，生产者P1需要生产资源，却无法申请互斥进入临界区，形成死锁
- 同一个进程中的空间、资源semSignal语句可以颠倒，因为先释放互斥和先释放资源没有影响，另一个进程都需要在两个信号量上等待，但是可能会降低性能，所以一般先释放资源再释放互斥
- 同一个信号量的wait和signal可能在不同进程，如资源信号量，也可能在同一进程，如互斥信号量，但必须成对
- 对于互斥信号量，wait一定先于signal，资源信号量则有可能先signal
2.15.2 生产者消费者问题示例
示例1
情境描述
- 桌子上有一只盘子，最多能放N（N>0）个水果(资源空间N)
- 爸爸随机向盘子中放入苹果或橘子(一个生产者)
- 儿子只吃橘子，女儿只吃苹果（两个消费者）
- 没有自己想吃的水果就不吃（有各自资源信号量时消费者可以消耗）
- 盘子满了爸爸就不放水果（空间信号量有限）
- 每次只能放入或取出一个水果，不允许同时使用盘子（互斥使用临界区）
用信号量机制实现爸爸、儿子和女儿之间的同步与互斥活动，并说明所定义信号量的含义。要求用伪代码描述。
分析
- 一个生产者，针对两个消费者生产两种不同资源，共用一个大小为N的临界区
- 盘子是临界区，需要互斥信号量mutex
- 爸爸和儿子因为orange的产生和消耗而同步：先产生后消耗
- 爸爸和女儿因为apple的产生和消耗而同步：先产生后消耗
- 爸爸和儿子、女儿共享临界区，需要空间信号量empty
- 信号量：
- empty:盘子是否为空
- orange：有无资源orange
- apple：有无资源apple
- mutex：互斥信号量
伪代码实现
semaphore mutex = 1; //盘子操作互斥信号量
semaphore apple = 0, orange = 0; //苹果、桔子放入、取出的资源信号量
semaphore empty = N; //盘子中可放入的水果数目
P1()
{
while (true) {
result= prepare _fruit(); //准备水果，result为水果类型
P(empty); //盘子中可放入的水果数目减1
P(mutex); //互斥访问盘子
put a fruit on the plate; //将一个水果放入盘子
V(mutex); //恢复访问盘子
if (result == apple) //准备的水果为苹果
V(apple); //允许女儿取苹果
else //准备的水果为桔子
V(orange); //允许儿子取桔子
}
}
son() {
while (true) {
P(orange); //判断是否可取桔子
P(mutex); //互斥访问盘子
get an orage from plate(); //取桔子
V(mutex); //恢复访问盘子
V(empty); //盘子中可放入的水果数目加1
}
}
daughter() {
while (true) {
P(apple); //判断是否可取苹果
P(mutex); //互斥访问盘子
get an apple from plate(); //取苹果
V(mutex); //恢复访问盘子
V(empty); //盘子中可放入的水果数目加1
}
}
示例2
情境描述
- 桌子上有一只盘子，只能放一个水果(资源空间1)
- 爸爸向盘子中放入苹果，妈妈向盘子中放入橘子(两个生产者)
- 儿子只吃橘子，女儿只吃苹果（两个消费者）
- 没有自己想吃的水果就不吃（有各自资源信号量时消费者可以消耗）
- 只有盘子为空时爸爸或妈妈才能放入水果（空间信号量有限）
- 每次只能放入或取出一个水果，不允许同时使用盘子（互斥使用临界区）
用信号量机制实现爸爸、妈妈、儿子和女儿之间的同步与互斥活动，并说明所定义信号量的含义。要求用伪代码描述。
分析
- 两个生产者，针对两个消费者生产两种不同资源，共用一个大小为1的临界区
- 盘子是临界区，需要资源信号量plate
- 爸爸和女儿因为apple的产生和消耗而同步：先产生后消耗
- 妈妈和儿子因为orange的产生和消耗而同步：先产生后消耗
- 信号量：
- plate:盘子是否为空
- orange：有无资源orange
- apple：有无资源apple
#####为什么不需要互斥信号量
因为不需要
- 在示例一中，空间可以容纳多个资源，假设空间为5，当现存3个资源时，生产者和消费者可能同时访问临界区，一个是去放新的资源，一个是去取旧的资源，这时需要空间和互斥两个信号量
- 而在示例二中现存0个资源时只有生产者可以访问临界区，现存1个资源时只有消费者可以访问临界区，所以在生产者进入临界区，还未使得资源信号量++时，消费者不是因为互斥无法进入，而是因为没有资源可取，只有当生产者出临界区后才会请求进入临界区取新生产的资源，消费者进入临界区时同理，生产者也不会进入临界区
- 所以不需要互斥
伪代码实现
semaphore plate = 1; //是否允许向盘子放入水果
semaphore apple = 0, orange = 0; //盘子中是否有苹果、桔子
dad() {
while (true) {
prepare an apple;
P(plate); //互斥向盘子放水果
put an apple on the plate; //将苹果放入盘中
V(apple); //允许取苹果
}
}
mom() {
while (true) {
prepare an orange;
P(plate); //互斥向盘子放水果
put an orange on the plate; //将桔子放入盘中
V(orange); //允许取桔子
}
}
son()
{
while (true) {
P(orange); //互斥取水果
get an orange from the plate; //从盘中取出桔子
V(plate); //允许向盘中放入水果
}
}
daughter()
{
while (true) {
P(apple); //互斥取水果
get an apple from the plate; //从盘中取出苹果
V(plate); //允许向盘中放入水果
}
}
示例3
情境描述
- 桌子上有一只盘子，最多放两个水果(资源空间2)
- 爸爸向盘子中放入苹果，妈妈向盘子中放入橘子(两个生产者)
- 女儿负责吃水果（一个消费者）
- 当且仅当盘子同时存在苹果和橘子时女儿才会取出水果（有资源信号量时消费者可以消耗）
- 只有盘子为空时爸爸或妈妈才能放入水果（空间信号量有限）
- 每次只能放入或取出一个水果，不允许同时使用盘子（互斥使用临界区）
用信号量机制实现爸爸、妈妈、女儿之间的同步与互斥活动，并说明所定义信号量的含义。要求用伪代码描述。
分析
- 两个生产者，生产两种不同资源，共用一个大小为2的临界区
- 爸爸和女儿因为apple的产生和消耗而同步：先产生后消耗
- 妈妈和儿子因为orange的产生和消耗而同步：先产生后消耗
- 盘子是否可以放入苹果需要判断：apple_empty
- 盘子是否可以放入橘子需要判断：orange_empty
- 信号量：
- apple_empty:是否可以放apple
- orange_empty:是否可以放orange
- orange：有无资源orange
- apple：有无资源apple
#####为什么不需要互斥信号量
因为不需要
- 在示例一中，空间可以容纳多个资源，假设空间为5，当现存3个资源时，生产者和消费者可能同时访问临界区，在示例二中现存0个资源时只有生产者可以访问临界区，现存1个资源时只有消费者可以访问临界区，所以在生产者进入临界区，还未使得资源信号量++时，消费者不是因为互斥无法进入，而是因为没有资源可取，只有当生产者出临界区后才会请求进入临界区取新生产的资源
- 而在示例三中看似是一个空间，实际上是两个独立的大小为1的空间，因为大小为2的空间却只能放1个苹果和一个橘子，不能放两个相同的水果，就相当于两个盘子，每个盘子只能放一种水果，两个盘子的水果不能相同，参考示例二，这种情况也不需要互斥
伪代码实现
semaphore apple = 0, orange = 0; //盘子中是否有苹果、桔子
semaphore empty_apple = 1, empty_orange = 1; //盘子是否可放入苹果、桔子
dad(){
while (true) {
prepare an apple;
P(empty_apple); //盘子中是否可放入苹果
put an apple on the plate; //将一个苹果放入盘子
V(apple); //允许女儿取苹果
}
}
mom(){
while (true) {
prepare an orange;
P(empty_orange); //盘子中是否可放入桔子
put an orange on the plate; //将一个桔子放入盘子
V(orange); //允许女儿取桔子
}
}
daughter() {
while (true) {
P(apple); //盘子中是否有苹果
P(orange); //盘子中是否有桔子
get an apple and an orange from plate(); //取水果
V(empty_apple); //盘子中可以放入苹果
V(empty_orange); //盘子中可以放入桔子
}
}
示例4
情境描述
- 女儿负责画画（一个生产者）
- 爸爸、妈妈负责欣赏(两个消费者)
- 女儿在白板上画完一幅画后，请爸爸、妈妈均欣赏过一遍后，再创作新画
- 一个生产者进程和两个消费者进程共享大小为1的缓冲，当且仅当缓冲为空时，生产者进程负责放入数据，当且仅当缓冲有数据时，消费者读数据，只有当两个消费者都读取数据后，生产者才能删除原有数据并继续生产下一个数据。
用信号量机制实现爸爸、妈妈、女儿之间的同步与互斥活动，并说明所定义信号量的含义。要求用伪代码描述。
分析
- 一个生产者和两个消费者，一幅画要分别给两人看
- 可看作一个生产者每次要针对不同消费者生产两个数据
- 两个数据都被消费后才能继续生产
- 爸爸是否欣赏过，设置空间资源信号量empty_dad
- 爸爸是否可以欣赏，设置产品资源信号量full_dad
- 妈妈是否欣赏过，设置空间资源信号量empty_mom
- 妈妈是否可以欣赏，设置产品资源信号量full_mom
- 信号量：
- empty_dad:爸爸是否欣赏过
- empty_mom:妈妈是否欣赏过
- full_dad：爸爸是否可以欣赏
- full_mom：妈妈是否可以欣赏
伪代码实现
semaphore empty_dad = 1, empty_mom = 1; //爸爸、妈妈是否已看过女画的新画
semaphore full_dad = 0, full_mom = 0; //是否存在可供爸爸、妈妈看的新画
daughter(){
while (true) {
P(empty_dad); //爸爸是否看过
P(empty_mom); //妈妈是否看过
draw a new picture on the whiteboard; //画一幅新画
V(full_dad); //爸爸可以看了
V(full_mom); //妈妈可以看了
}
}
dad() {
while (true) {
P(full_dad); //白板上是否存在没有看过的画
enjoy the picture on the whiteboard; //看画
V(empty_dad); //爸爸已看过新画
}
}
mom() {
while (true) {
P(full_mom); //白板上是否存在没有看过的画
enjoy the picture on the whiteboard; //看画
V(empty_mom); //妈妈已看过新画
}
}
