生产者-消费者问题实例|操作系统原理

生产者—消费者问题是一种同步问题的抽象描述。计算机系统中的每个进程都可以消费（使用）或生产（释放）某类资源，这些资源可以是硬资源（如主存缓冲区、外设或处理机），也可以是软资源（如临界区、消息等）。当系统中进程使用某一资源时，可以看作是消耗，且将该进程称为消费者。而当某个进程释放资源时，则它就相当于一个生产者。比如在上例中，计算进程和打印进程共用一个缓冲区，进程cp计算数据并送入缓冲区，进程iop从缓冲区中取出数据去打印，因此，对数据而言进程cp相当于生产者，进程iop相当于消费者。当两个进程之间互通信件时，也可抽象为一个发信件进程产生消息，然后把它放置到缓冲存储器中去，与此平行地，一个读消息进程从缓冲存储器中移走信息并处理（消费）它。

通过一个有界缓冲区把一群生产者p1、p2、…、pm和一群消费者c1、c2、…、ck联系起来，如图4-8所示。假定这些生产者和消费者是互相等效的。只要缓冲区未满，生产者就可以把产品送入缓冲区，类似地，只要缓冲区未空，消费者便可以从缓冲区中取走物品并消耗它。生产者和消费者的同步关系将禁止生产者向满的缓冲区输送产品，也禁止消费者从空的缓冲区中提取物品。

图4-8　生产者一消费者问题(www.xing528.com)

在生产者—消费者问题中，信号灯具有两种功能：其一，它是跟踪资源的生产和消费的计数器；其二，它是协调资源的生产者和消费者之间的同步器。消费者通过在一个指派给它的信号灯上做P操作来表示消耗一个资源，而生产者通过在同一信号灯上做V操作来表示生产一个资源。在这种信号灯的实施中，计数在每次P操作后减1，而在每次V操作中增1。这一计数器的初始值是可利用的资源数目。当资源不可利用时，将申请资源的进程放置在等待队列中。如果有一个资源释放，在等待队列中的第一个进程被唤醒并得到资源的控制权。

为解决这一类生产者—消费者问题，应该设置两个同步信号灯：一个说明空缓冲区的数目，用empty表示，其初值为有界缓冲区的大小n；另一个说明满缓冲区（即信息）的数目，用full表示，其初值为0。由于本例中有p1、p2、…、pm个生产者和c1、c2、…、ck个消费者，故它们在执行生产活动和消费活动中要对有界缓冲区进行操作。由于有界缓冲区是一个临界资源，必须互斥使用，所以，还需设置一个互斥信号灯mutex，其初值为1。