生产者与消费者

Posted 2020-10-04 奋斗的少年WH

生产者与消费者
一、明确定义

要理解生产消费者问题，首先应弄清PV操作的含义：PV操作是由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：
P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；
②如果S?0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。
V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；
②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
这只是书本的定义，对于这部分内容，老师先不要急于解释上面的程序流程，而是应该让学生首先知道P操作与V操作到底有什么作用。
P操作相当于申请资源，而V操作相当于释放资源。所以要学生记住以下几个关键字：
P操作-----à申请资源
V操作----à释放资源
二、形象启发

为此举两个生活中的例子：
例一：在公共电话厅打电话
公共电话厅里有多个电话，如某人要打电话，首先要进行申请，看是否有电话空闲，若有，则可以使用电话，如果电话亭里所有电话都有人正在使用，那后来的人只有排队等候。当某人用完电话后，则有空电话腾出，正在排队的第一个人就可以使用电话。这就相当于PV操作：
某人要打电话，首先要进行申请，相当于执行一次P操作，申请一个可用资源（电话）；
某人用完电话，则有空电话腾出，相当于执行一次V操作，释放一个可用资源（电话）。
在多媒体课件中，这部分内容充分通过动画效果，演示整个申请电话资源（P操作）与释放电话资源（V操作）的过程，同时显示当前可用的资源个数（电话个数）。课件直观生动，一目了然，学生非常容易接受，并且理解深刻。
三、分层解剖

在理解了PV操作的的含义后，就必须讲解利用PV操作可以实现进程的两种情况：互斥和同步。根据互斥和同步不同的特点，就有利用PV操作实现互斥与同步相对固定的结构模式。这里就不详细讲解了。但生产者-消费者问题是一个有代表性的进程同步问题，要学生透彻理解并不容易。但是如果我们将问题细分成三种情况进行讲解，理解难度将大大降低。
1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。
可以作以下比喻：将一个生产者比喻为一个生产厂家，如伊利牛奶厂家，而一个消费者，比喻是学生小明，而一个缓冲区则比喻成一间好又多。第一种情况，可以理解成伊利牛奶生产厂家生产一盒牛奶，把它放在好又多一分店进行销售，而小明则可以从那里买到这盒牛奶。只有当厂家把牛奶放在商店里面后，小明才可以从商店里买到牛奶。所以很明显这是最简单的同步问题。
解题如下：
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往Buffer;
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从Buffer取出一个产品;
V(empty);
消费该产品;
2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。
第二种情况可以理解为伊利牛奶生产厂家可以生产好多牛奶，并将它们放在多个好又多分店进行销售，而小明可以从任一间好又多分店中购买到牛奶。同样，只有当厂家把牛奶放在某一分店里，小明才可以从这间分店中买到牛奶。不同于第一种情况的是，第二种情况有N个分店（即N个缓冲区形成一个环形缓冲区），所以要利用指针，要求厂家必须按一定的顺序将商品依次放到每一个分店中。缓冲区的指向则通过模运算得到。

解题如下：
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从buffer（out）中取出产品；
out=(out+1)mod n；
V(empty);
消费该产品;
}
3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区
第三种情况，可以理解成有多间牛奶生产厂家，如蒙牛，达能，光明等，消费者也不只小明一人，有许许多多消费者。不同的牛奶生产厂家生产的商品可以放在不同的好又多分店中销售，而不同的消费者可以去不同的分店中购买。当某一分店已放满某个厂家的商品时，下一个厂家只能把商品放在下一间分店。所以在这种情况中，生产者与消费者存在同步关系，而且各个生产者之间、各个消费者之间存在互斥关系,他们必须互斥地访问缓冲区。
解题如下：
定义四个信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。
设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
P(mutex1)；
产品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(mutex1);
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
P(mutex2)；
从buffer（out）中取出产品；
out=(out+1)mod n；
V（mutex2）；
V(empty);