生产者-消费者问题

问题描述

生产者-消费者

问题分析

• 任何时刻只能有一个线程操作缓冲区（互斥访问）
• 缓冲区为空时，消费者必须等待生产者（条件同步）
• 缓冲区为满时，生产者必须等待消费者（条件同步）

用信号量描述每个约束

• 二进制信号量mutex
• 资源信号量fullBuffers
• 资源信号量emptyBuffers

具体实现：

class BoundedBuffer{
    mutex = new Semaphore(1);
    fullBuffers = new Semaphore(0);
    emptyBuffers = new Semaphore(n);
}

BoundedBuffer::Deposit(c){
    //缓冲区空间减一
    emptyBuffers->P();
    //进入互斥访问
    mutex->P();
    Add c to the buffer;
    mutex->V();
    //离开临界区
    //生产资源加一
    fullBuffers->V();
}

BoundedBuffer::Remove(c){
    //生产资源减一
    fullBuffers->P();
    mutex->P();
    Remove c from buffer;
    mutex->V();
    //缓冲区空间加一
    emptyBuffers->V();
}

使用信号量的困难

• 读/开发代码比较困难：程序员需要能运用信号量机制
• 容易出错
  a. 使用的信号量已经被另一个线程占用
  b. 忘记释放信号量

使用管程实现：

class BoundedBuffer{
    Lock lock;
    int count = 0; //表示当前buffer的资源
    Condition notFull,notEmpty; //两个条件变量
}

BoundedBuffer::Deposit(c){
    lock->Acquire();
    //若缓存区满时，则放弃管程访问
    while(count == n){
        notFull.Wait(&lock);
    }
    Add c to the buffer;
    count ++;
    //唤醒等待的消费者
    notEmpty.Signal();
    lock->Release();
}

BoundedBuffer::Remove(c){
    lock->Acquire();
    //若生产资源为空时，放弃管程访问
    while(count == 0){
        notEmpty.Wait(&lock);
    }
    Remove c from buffer;
    count --;
    //唤醒等待的生产者
    notFull.Signal();
    lock->Release();
}

管程操作可以将PV操作放在一个模块中，可以简化PV操作。