多生产者-多消费者问题

文章目录

1 问题描述
2 问题分析
3 代码实现
4 分析总结

1 问题描述

桌子上有一只盘子，每次只能向其中放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，妈妈专向盘子中放橘子，儿子专等着吃盘子中的橘子，女儿专等着吃盘子中的苹果。只有盘子空时，爸爸或妈妈才可向盘子中放一个水果。仅当盘子中有自己需要的水果时，儿子或女儿可以从盘子中取出水果。

2 问题分析

关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、互斥关系。
多生产者-多消费者问题关系分析如下：

互斥关系：对缓冲区（盘子）的访问要互斥地进行
同步关系（一前一后）：

父亲将苹果放入盘子后，女儿才能取苹果

母亲将橘子放入盘子后，儿子才能取橘子

只有盘子为空时，父亲或母亲才能放入水果

注意：“盘子为空”这个事件可以由儿子或女儿触发，事件发生后才允许父亲或母亲放水果

整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序。

由以上的同步、互斥关系分析，将多生产者-多消费者问题描绘出图形：

设置信号量。设置需要的信号量，并根据题目条件确定信号量初值。
（互斥信号量初值一般为 1，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少）
本问题中信号量设置如下：

  semaphore mutex = 1;    //实现互斥访问盘子（缓冲区）semaphore apple = 0;    //盘子中有几个苹果 semaphore orange = 0;   //盘子中有几个橘子semaphore plate = 1;    //盘子中还可以放多少个水果

模型实现：

dad：先准备一个苹果，放苹果之前，先判断盘子里是否为空（P一下盘子，检查盘子中还可以放多少个水果），然后再将苹果放入进去（V一下苹果，数量+1）
mom：先准备一个橘子，放橘子之前，先判断盘子里是否为空（P一下盘子，检查盘子中还可以放多少个水果），然后再将橘子放入进去（V一下橘子，数量+1）
daughter：拿苹果之前，先判断盘子里有没有苹果（P一下苹果，若没有苹果，自己被阻塞），然后告诉父母，盘子为空了（V一下盘子）
son：拿橘子之前，先判断盘子里有没有橘子（P一下橘子，若没有橘子，自己被阻塞），然后告诉父母，盘子为空了（V一下盘子）

以下实现了所有进程之间的同步关系：
还需要实现各个进程对盘子（缓冲区）的互斥访问：
就是所有进程对盘子进行PV操作，即加锁和解锁的过程

3 代码实现

 semaphore mutex = 1;    //实现互斥访问盘子（缓冲区）semaphore apple = 0;    //盘子中有几个苹果 semaphore orange = 0;   //盘子中有几个橘子semaphore plate = 1;    //盘子中还可以放多少个水果dad (){while(1){准备一个苹果;P(plate);P(mutex);向盘子中放苹果;V(mutex);V(apple);       //允许女儿进程取苹果}
}
mom (){while(1){准备一个橘子;P(plate);P(mutex);向盘子中放橘子;V(mutex);V(orange);        //允许儿子进程取橘子}
}
daughter (){while(1){P(apple);P(mutex);从盘子中取出苹果;V(mutex);V(plate);           //允许父母进程进程向盘子中取放水果吃苹果;}
}
son (){while(1){P(orange);P(mutex);从盘子中取出橘子;V(mutex);V(plate);           //允许父母进程进程向盘子中取放水果吃橘子;}
}

4 分析总结

问题：可不可以不用互斥信号量？
结论：即使不设置专门的互斥变量mutex，也不会出现多个进程同时访问盘子的现象
原因在于：本题中的缓冲区大小为1，在任何时刻，apple、orange、plate三个同步信号量中最多只有一个是1。因此在任何时刻，最多只有一个进程的P操作不会被阻塞，并顺利地进入临界区…

若将缓冲区设置为2会发生什么现象？
父亲P(plate)，可以访问盘子→母亲P(plate)，可以访问盘子→父亲在往盘子里放苹果，同时母亲也可以往盘子里放橘子。于是就出现了两个进程同时访问缓冲区的情况，有可能导致两个进程写入缓冲区的数据相互覆盖的情况。

因此，如果缓冲区大小大于1，就必须专门设置一个互斥信号量mutex来保证互斥访问缓冲区。

总结：在生产者-消费者问题中，如果缓冲区大小为1，那么有可能不需要设置互斥信号量就可以实现互斥访问缓冲区的功能。当然，这不是绝对的，要具体问题具体分析。

建议：在考试中如果来不及仔细分析，可以加上互斥信号量，保证各进程一定会互斥地访问缓冲区。但需要注意的是，实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后，否则可能引起“死锁”。

理解理清复杂的同步关系：
在分析同步问题（一前一后问题）的时候不能从单个进程行为的角度来分析，要把“一前一后”发生的事看做是两种“事件”的前后关系。

比如，如果从单个进程行为的角度来考虑的话，我们会有以下结论：

如果盘子里装有苹果，那么一定要女儿取走苹果后父亲或母亲才能再放入水果

如果盘子里装有橘子，那么一定要儿子取走橘子后父亲或母亲才能再放入水果

这么看是否就意味着要设置四个同步信号量分别实现这四个“一前一后”的关系了？

正确的分析方法应该从“事件”的角度来考虑

我们可以把上述四对“进程行为的前后关系”抽象为一对“事件的前后关系”

盘子变空事件→放入水果事件。“盘子变空事件”既可由儿子引发，也可由女儿引发；

“放水果事件” 既可能是父亲执行，也可能是母亲执行。

这样的话，就可以用一个同步信号量解决问题了

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