生产者-消费者问题理解

问题描述:

涉及对象:生产者(制造数据)、消费者(消费数据)、缓冲区(中介)

具体描述:生产者和消费者分别为两个线程(或进程),共享一个固定大小的缓冲区。生产者干两件事:一、制造数据并且在缓冲区未满时写入,否则等待;在缓冲区为空的情况下写入数据并唤醒消费者读取数据;消费者在缓冲区不为空时读出数据,否则等待;在缓冲区满的情况下消费数据并唤醒生产者写入数据。

问题关键:

1、对缓冲区进行互斥处理,缓冲区为临界区,防止竞争;

2、正确实现生产者和消费者的同步关系,防止出现死锁。

解决方案:

使用信号量(semphore)进行解决问题。

对于第一个问题关键,可以使用二元信号量mutex进行缓冲区互斥。

伪代码:

图片发自简书App

过程分析:

首先创建两个整型信号量empty和full,分别用于记录空闲缓冲单元数和占用缓冲单元数,初始化值分别为n和0。信号量适用于多线程(或进程间)同步。假设缓冲区n为2,并假设两个线程同步并发跑在处理器不同核心上。

生产者行为分析:

首先生产者生产数据,然后将信号量empty进行P操作。P操作先判断信号量取值是不是大于等于1,由于empty=n=2>1,所以empty--然后继续执行。此时记录缓冲区空单元的变量empty为1,然后进入临界区写入数据,完成后离开临界区,对full信号量执行V操作,V操作先将full加1,然后唤醒在full上面等待的线程consumer,此时full变为1,继续往下执行。

消费者行为分析:

消费者启动,对full执行P操作,P操作先判断信号量是不是大于等于1,由于刚启动时full=0<1,于是在此处挂起等待。(此处实现了消费者等待效果)一直到生产者唤醒,然后进入缓冲区移出数据,紧接着对empty信号量执行V操作,此时empty为1,先将empty加1,然后唤醒生产者继续操作,紧接着消费者执行消费数据操作。

假设某个时刻缓冲区写满,即full=2,empty=0。

首先生产者照常生产数据,然后对empty执行p操作,由于empty=0所以挂起(即此时实现了生产者缓冲区满时等待功能);消费者先对full执行p操作,将full--得到full=1然后继续执行,取数据,取完后对empty执行v操作,即将empty+1然后唤醒生产者。

总结:

1、empty和full分别哪个决定生产者、消费者休眠和唤醒?

答:由于挂起任务只有在某个信号量为0进行p操作时会挂起,所以决定生产者休眠的是empty,即使用缓冲区空单元记录来决定生产者是否休眠,此外也是通过empty的v操作唤醒生产者;决定消费者是否休眠的是full,即使用缓冲区缓冲单元记录来实现消费者的线程控制。

2、为什么empty的p操作和full的p操作必须在mutex的p操作之前?

答:正常情况下empty进行p操作后阻塞生产者线程就会等待消费者来唤醒,并不会影响到决定临界区操作的mutex信号量;如果换下顺序,首先先修改mutex信号量为0,阻塞消费者进去,然后又用empty再次阻塞等待消费者唤醒,消费者要进去临界区时发现被阻塞了,就等待生产者解决阻塞,结果两个线程相互等待一直阻塞,造成死锁。

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