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：

生产者－消费者问题理解

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。