操作系统——生产者-消费者问题

一、简单生产者-消费者问题

问题描述：一组生产者进程和一组消费者进程共享一个初始为空、大小为 n 的缓冲区，只有缓冲区没满时，生产者才能把消息放入到缓冲区，否则必须等待；只有缓冲区不为空时，消费者才能从中取出消息，否则必须等待。由于缓冲区是临界资源，它只允许一个生产者放入消息，或者一个消费者从中取出消息。

问题分析：

　　（1）关系分析。生产者和消费者对缓冲区互斥访问是互斥关系，同时生产者和消费者又是一个相互协作的关系，只有生产者生产后消费者才能消费，也是同步关系

　　（2）整理思路。只有生产者、消费者两个进程，且存在互斥和同步关系。所以需要解决的是互斥和同步 P V 操作的位置

　　（3）信号量设置。信号量 mutex 作为互斥信号量，用于控制互斥访问缓冲池，初值为 1 ；信号量 full 用于记录缓冲池中满缓冲区数，初值为 0 ；信号量 empty 用于记录缓冲池中空缓冲区数，初值为 n。

进程伪代码描述：

 1 semaphore mutex = 1;           // 临界区互斥信号量
 2 semaphore empty = n;           // 空闲缓冲区
 3 semaphore full = 0;            // 满缓冲区
 4 
 5 producer() {
 6     while(1){
 7         生产数据;
 8         P(empty);
 9         P(mutex);
10         将数据放入缓冲区;
11         V(mutex);
12         V(full);
13     }
14 }
15 
16 Customer() {
17     while(1){
18         P(full);
19         P(mutex);
20         将数据冲缓冲区取出;
21         V(mutex);
22         V(empty);
23         使用数据;
24     }
25 }

二、橘子-苹果问题

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，儿子专吃橘子，女儿专吃苹果。只要盘子为空，爸爸妈妈就可以向盘子中放一个水果；只有盘子中有想吃的水果时，儿子女儿才能取出一个水果吃

问题分析：

　　（1）关系分析：爸爸妈妈是互斥关系，临界资源为盘子；爸爸和女儿、妈妈和儿子是同步关系，且这两对进程必须连起来；儿子和女儿之间没有互斥同步关系。

　　（2）整理思路：可以抽象为两个生产者和两个消费者被连接到大小为 1 的缓冲区上。

　　（3）信号量设置：首先设置信号量 plate 为互斥信号量，初值为 1；信号 apple 为同步信号量，初值为 0；信号 orange 为同步信号量，初值为 0。

进程伪代码描述：

semaphore plate = 1;      // 盘子
semaphore apple = 0;     // 苹果
semaphore orange = 0;   // 橘子

Father() {
    while(1){
        准备一个苹果;
        P(plate);
        将苹果放入盘子中;
        V(apple);
    }
}

Mother() {
    while(1){
        准备一个橘子;
        P(plate);
        将橘子放入盘子中;
        V(orange);
    }
}

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

Daughter() {
    while(1){
        P(apple);
        将苹果取出;
        V(plate);
        吃苹果;
    }
}