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操作系统的程序 和代码算法编程 操作系统的程序 和代码算法编程

使用信号量的生产者消费者问题代码描述 


        #define N 100		/* 缓冲区内槽数 */
	typedef int semaphone;	/* 信号量是一种特殊的整形变量 */
	semaphone mutex =1;	 /* 控制对临界区的访问 */
	semaphone empty=N;	 	/* 记录缓冲区内空的槽数 */
	semaphone full=0; 		/* 记录缓冲区内满的槽数 */

	void producer(void)
	{
	int item;
	while(TRUE){ 		/* TRUE为常数1 */
		produce_item(&item); /* 产生一数据项 */
		down(&empty);	 /* 递减空槽数 */
		down(&mutex); 	/* 进入临界区 */
		enter_item(item); 	/* 将一个新数据项放入缓冲区 */
		up(&mutex); 	/* 离开临界区 */
		up(&full); 	/* 递增满槽数 */
		}
	}

	void consumer(void)
	{
	int item;
	while(TRUE){ 		/* 无限循环 */
		down(&full); 	/* 递减满槽数 */
		down(&mutex);	/* 进入临界区 */
		remove_item(&item);/* 从缓冲区中取走一个数据项 */
		up(&mutex); 	/* 离开临界区 */
		up(&empty); 	/* 递增空槽数 */
		consume_item(item); /* 对数据项进行操作 */
		}
	}

图2-12使用信号量的生产者--消费者问题

该解决方案使用了三个信号量：full用来记录满的缓冲槽数目；empty记录空的缓冲槽总数；mutex用来确保生产者和消费者不会同时访问缓冲区。full的初值为0，empty的初值为缓冲区内槽的数目，mutex初值为1。两个或多个进程使用的初值为1的信号量保证同时只有一个进程可以进入临界区，它被称作二进制信号量(binary semaphore)。如果每个进程在进入临界区前都执行一个DOWN操作，并在退出时执行一个UP操作，则能够实现互斥。

在图2－12的例子中，实际上是通过两种不同的方式来使用信号量。其间的区别是很重要的。信号量mutex用于互斥。它用于保证任一时刻只有一个进程读写缓冲区和相关的变量。互斥是避免混乱所必需的。

注意点 生产者进程先down(&empty)，然后down(&mutex)，消费者进程先down(&full)，然后down(&mutex)。可不可以颠倒一下? 即生产者进程先down(&mutex），然后down(&empty)，消费者进程先down(&mutex)， 然后down(&full)？回答是不行的。设想生产者进程已经将缓冲区放满，消费者进程并没有取产品，即empty=0.当下次仍然是生产者进程运行时，它先down(&mutex)，封锁信号量，再down(&empty)时将被阻塞，希望消费者取出产品后将其唤醒；轮到消费者进程运行时，它先down(&mutex)，然而由于生产者进程已经封锁mutex信号量，消费者进程也会被阻塞，这样一来生产者消费者进程都将阻塞，都指望对方唤醒自己，陷入了无休止的等待了。同理，如果消费者进程已经将缓冲区取空，full=0,下次如果还是消费者先运行，也会出现类似的死锁。不过生产者释放信号量时，mutex,full先释放哪一个无所谓，消费者先释放mutex还是empty都可以。

思考题

1 本例程序中能不能通过去掉某个信号量以使得程序具有更大的并发粒度？比方说去掉mutex?即认为生产者向缓冲槽放产品的同时允许消费者取产品。会不会出现与时序有关的错误？如果可以的话，原程序需要作那些修改

2 在本例中我们的模型是一个生产者，一个消费者，N个缓冲槽的问题，大家不妨考虑一下，如果是多个生产者，多个消费者（即生产者，消费者进程数目不限），共享N个缓冲槽，那该如何设计程序？？   提示：在这个问题中，不仅仅包括生产者和消费者的协调问题，还涉及到生产者与生产者之间，消费者与消费者之间的协调问题。换句话说，两个生产者不可以向同一个槽放产品，两个消费者也不可以同时从同一个槽中取产品，还有一个与思考题1有关的问题——可不可以允许生产者和消费者进程并发执行。






生产者-消费者问题- -
                                       

  在学习进程互斥中，有个著名的问题：生产者-消费者问题。
   这个问题是一个标准的、著名的同时性编程问题的集合：一个有限缓冲区和两类线程，

它们是生产者和消费者，生产者把产品放入缓冲区，相反消费者便是从缓冲区中拿走产品。 


     生产者在缓冲区满时必须等待，直到缓冲区有空间才继续生产。消费者在缓冲区空时必

须等待，直到缓冲区中有产品才能继续读取。 


     在这个问题上主要考虑的是：缓冲区满或缓冲区空以及竞争条件（race condition)。以下

是一个含竞争条件的生产者-消费者问题实例。


  #define N 100            /*number of slots in the buffer*/
   int count=0;               /*number of items in the buffer*/
   void producer(void) {
          int item;
          while(TRUE) {
              produce_item(&item);
              if (count==N) sleep();
               enter_item(item);
                count=count+1;
               if (count==1) wakeup(consumer);
           }
  }
   void comsumer(void) {
           int item;
           while(TRUE) {
                if(count==0) sleep();
                remove_item(&item);
                count=count-1;
                if (count==N-1) wakeup(producer);
                consume_item(item);
           }
   }
   在这个实例中，首先定义了一个大小为100的公共缓冲区，也就是临界资源，然后的count

便是缓冲区中产品的数目，初始化为0。producer函数是生产者函数，produce_item(&item

);是指生产者生产出来一个产品，但是这时候并没有对缓冲区进行操作。而if (count==N) 

sleep();是测试语句，如果生产出来的产品数和缓冲区大小相等时，生产者就进入睡眠状态

。如果不等，产品就放入缓冲区内，并且产品数增加1。if (count==1) wakeup(consumer);

这条语句看上去让人十分费解，其实它的意思是，如果上一次操作时产品的数目为0，消费

者已经进入了睡眠状态，而现在生产者又生产出来一个产品，缓冲区内不为空，这时把消费

者唤醒。消费者函数也是同样的道理，只不过一个是取，另一个是放。


    我们可以看到，这里存在潜在的竞争条件，所谓竞争条件就是这样一种情况：多个线程对

数据产生的作用要依赖于线程的调度顺序的。当两个线程竞相访问同一数据时，就会发生竞

争条件。由于时间片的原因，一个线程可以在任意一个时刻打断其他线程，因此数据可能会

被破坏或者被错误地解释。在这个实例上反应的结果是，生产者和消费者两个进程都永远睡

眠。至于有哪些解决方案，以后再慢慢讨论。