生产者-消费者问题详细分析【操作系统原理】

上进小菜猪 发表于 2022/06/16 13:07:33 2022/06/16
【摘要】 一,前言生产者-消费者问题是非常经典的进程同步问题。我今天遇到了几个关于这个知识点的问题,所以把这个问题分析一下:在生产者-消费者问题中,如果缺少了signal(full)或signal(empty),对执行结果会有何影响?在生产者-消费者问题中,如果将两个wait操作即wait(full)和wait(mutex)互换位置;或者是将signal(mutex)与signal(full)互换位...

一,前言

生产者-消费者问题是非常经典的进程同步问题。
我今天遇到了几个关于这个知识点的问题,所以把这个问题分析一下:

  1. 在生产者-消费者问题中,如果缺少了signal(full)或signal(empty),对执行结果会有何影响?
  2. 在生产者-消费者问题中,如果将两个wait操作即wait(full)和wait(mutex)互换位置;或者是将signal(mutex)与signal(full)互换位置结果会如何
  3. 给出记录型信号量机制中Wait(S)和Signal(S)操作的描述

二,问题详解

2.1,知识点

生产者-消费者问题是相互合作进程的一种抽象关系,举几个例子:
1.输入时:输入进程是生产者,计算进程的消费者。
2.输出时: 计算进程是生产者,打印进程是消费者。

注意一下:
1.互斥锁的概念和原理
2.缓冲区的作用
3.线程间的同步
在这里插入图片描述

2.2,分析伪代码

2.2.1 总代码

分析前需要理解的概念和原理:

  1. procuder():生产者
  2. consumer():消费者
  3. empty = n:代表有n个缓冲区
  4. mutex互斥信号量
  5. empty:代表缓冲池里的空缓存区数量
  6. full:代表缓冲池里的满缓存区数量
    wait()和signal()的详解在下方:
    在这里插入图片描述

先看一下全部的伪代码,如下:

int in = 0, out = 0;
item buffer[n];
semaphore mutex = 1, empty = n, full = 0;
void procuder() {
  do {
      procuder an item nextp;
      ...
      wait(empty);
      wait(mutex);
      buffer[in] = nextp;
      in = (in+1) % n;
      signal(mutex);
      signal(full);
  } while (true);
}

void consumer() {
   do {
       wait(full);//判断是否有满缓冲区,满缓冲区-1
       wait(mutex);
       nextc = buffer[out];
       out = (out+1) % n;
       signal(mutex);
       siganl(empty);//空缓冲区+1
       consumer the item in nextc;
       ....
   } while (true);
}

void main() {
  cobegin
    producer(); consumer();
  coend
}

2.2.2 生产者

代码如下:

void procuder() {
  do {
      procuder an item nextp;
      ...
      wait(empty);
      wait(mutex);
      buffer[in] = nextp;
      in = (in+1) % n;
      signal(mutex);
      signal(full);
  } while (true);
}

我们想象一下,有一个缓存池,里面有n个缓冲区。
程序先调用生产者,现在执行wait(empty),表示空缓冲区数量-1。(如果大于0的情况)。
接下来执行wait(mutex),表示数据缓冲区互斥访问,加锁。
下面俩行为具体的生产内容,不用管。

buffer[in] = nextp;
n = (in+1) % n;

执行signal(mutex),打开数据缓冲区互斥访问锁,允许消费者访问。
执行signal(full),满缓冲区数量加+1

2.2.3 消费者

代码如下

void consumer() {
   do {
       wait(full);
       wait(mutex);
       nextc = buffer[out];
       out = (out+1) % n;
       signal(mutex);
       siganl(empty);
       consumer the item in nextc;
       ....
   } while (true);
}

执行完毕生产者之后执行消费者。
先执行wait(full),这里的full是生产者执行完之后,记录的满缓存区数量,我们需要先确定有满缓冲区,然后将他-1,否则进入等待状态。
执行wait(mutex),这里的互斥锁的作用就体现出来了,如果生产者执行完毕生产过程后,开锁,消费者才可以执行这部,否则处于等待状态。如果目前没有上锁的话,执行下面的步骤,mutex加锁,防止生产者运行。
执行消费过程,这里先不用管:

nextc = buffer[out];
out = (out+1) % n;

执行完消费过程,后执行signal(mutex)开锁,此时生产者可以开始生产过程。
最后执行siganl(empty)空缓冲区数量+1,因为消费了应该满缓存区,前面满缓存区数量也-1了。

2.2.4 联合思考

因为缓冲区不允许多个进程运行,所以设置互斥锁。
看一下互斥锁,互斥锁mutex初始值为1。执行上锁过程之后-1,变为0,成为上锁状态,此时消费者进入等待状态。
在这里插入图片描述

2.3,问题解决

2.3.1 问题1解决

在生产者-消费者问题中,如果缺少了signal(full)或signal(empty),对执行结果会有何影响?
我们可以想一下,如果没有signal(full)满缓存区数量+1的话,在生产者执行完毕后,full依然为0,执行消费者的时候,因为full为0,判断为现在缓冲池没有满缓存区,而进入等待状态。
如果缺少signal(empty),空缓冲区+1的话,因为empty初始值为n,执行n次生产者之后empty为0,之后会让生产者一直处于等待状态。

2.3.2 问题2解决

在生产者-消费者问题中,如果将两个wait操作即wait(full)和wait(mutex)互换位置;或者是将signal(mutex)与signal(full)互换位置结果会如何
如果full处于缓存池全满的情况下,继续执行生产者的话,锁开着,加速执行之后,signal(full)会继续加一,超出了缓存池的大小,造成死锁。

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