生产者消费者问题

并且设立了两种操作：down 和 up（分别为一般化后的 sleep 和 wakeup，其实也是一般教科书上说的 P/V 向量）。对一个信号量执行 down 操作，表示检查其值是否大于 0，如果该值大于 0，则将其值减 1（即用掉一个保存的唤醒信号）并继续；如果为 0，则进程休眠，而且此时 down 操作并未结束。另外，就是检查数值，修改变量值以及可能发生的休眠操作都作为单一的，不可分割的 原子操作 来完成。
听起来好像蛮对的，无懈可击似的，但其实在实现时会有一个竞争条件存在的。为了跟踪缓冲区中的消息数目，需要一个变量 count。如果缓冲区最多存放 N 个消息，则生产者的代码会首先检查 count 是否达到 N，如果是，则生产者休眠；否则，生产者向缓冲区中放入一个消息，并增加 count 的值。
消费者的代码也与此类似，首先检测 count 是否为 0，如果是，则休眠；否则，从缓冲区中取出消息并递减 count 的值。同时，每个进程也需要检查是否需要唤醒另一个进程。代码可能如下：
/* 生产者进程 */
void proceducer(void)
{
int item;
while(1)
{
item = procedure_item(); // 生成数据
down(&empty); // 将空槽数目减 1
// 缓冲区大小
#define N 100
int count = 0; // 跟踪缓冲区的记录数
/* 生产者进程 */
void procedure(void)
{
int item; // 缓冲区中的数据项
{
sleep();
}
insert_item(item); // 将新数据项放入缓冲区
count = count + 1; // 计数器加 1
if (count == 1) // 表明插入之前为空，
count = count - 1; // 计数器减 1
if (count == N -1) // 缓冲区有空
槽
{ // 唤醒生产者
wakeup(producer);
}
consume_item(item); // 打印出数据项
}
}
看上去很美，哪里出了问题，这里对 count 的访问是有可能出现竞争条件的：缓冲区为空，消费者刚刚读取 count 的值为 0，而此时调度程序决定暂停消费者并启动执行生产者。生产者向缓冲区中加入一个数据项，count 加 1。现在 count 的值变成了 1.它推断刚才 count 为 0，所以此时消费者一定在休眠，于是生产者开始调用 wakeup(consumer) 来唤醒消费者。但是，此时消费者在逻辑上并没有休眠，所以 wakeup 信号就丢失了。当消费者下次运行时，它将测试先前读到的 count 值，发现为 0（注意，其实这个时刻 count 已经为 1 了），于是开始休眠（逻辑上）。而生产者下次运行的时候，count 会继续递增，并且不会唤醒 consumer 了，所以迟早会填满缓冲区的，然后生产者也休眠，这样两个进程就都永远的休眠下去了。
ห้องสมุดไป่ตู้
while(1)
{
item = procedure_item(); // 生成数据
receive(consumer, &msg); // 等待消费者发送空的缓冲区
build_msg(&msg, item); // 创建待发送消息
2，使用消息传递解决生产者-消费者问题
这种 IPC 方式使用两条原语 send 和 receive，也是系统调用。如：
send(dest, &msg) // 将消息 msg 发送到目标（进程）dest 中
receive(src, &msg) // 接收由 src 过来的 msg,如果没有消息可用，则可能阻塞接收者
#define N 100 // 缓冲区中的槽数目
/* 生产者进程 */
void proceducer(void)
{
int item;
message msg; // 消息缓冲区
down(&mutex); // 进入临界区
insert_item(item); // 将新数据放入缓冲区
up(&mutex); // 离开临界区
while(true) // 无限循环
{
item = produce_item(); // 产生下一个数据项
if (count == N) // 如果缓冲区满了，进行休眠
semaphore empty = N; // 计数缓冲区中的空槽数目
semaphore full = 0; //
计数缓冲区中的满槽数目
下面开始考虑用信号量来解决生产者-消费者问题了，不过在此之前，再次分析一下这个问题的本质会更清晰点：问题的实质在于发给一个（尚）未休眠进程（如上的消费者进程在只判断了 count == 0 后即被调度出来，还未休眠）的 wakeup 信号丢失（如上的生产者进程在判断了 count == 1 后以为消费者进程休眠，而唤醒它）了。如果它没有丢失，则一切都会很好。
另外，通常是将 down 和 up 操作作为系统调用来实现，而且 OS 只需要在执行以下操作时暂时禁止全部中断：测试信号量，更新信号量以及在需要时使某个进程休眠。
这里使用了三个信号量，但是它们的目的却不相同，其中 full 和 empty 用来同步（synchronization），而 mutex 用来实现互斥。
#define N 100 // 缓冲区中的槽数目
typedef int semaphore; // 信号量一般被定义为特殊的整型数据
semaphore mutex = 1; // 控制对临界区的访问
down(&mutex); // 进入临界区
item = remove_item(); // 从缓冲区中取出数据项
up(&mutex); // 离开临界区
条原始消息的头部嵌入一个连续的序号来解决这个问题。
另外，消息传递系统还需要解决进程命名的问题，在 send 和 receive 系统调用中指定的进程必须没有二义性的。还有其他的一些问题，如性能问题，身份认证等等，不过那个就会扯多了，还是看看如果解决这个生产者-消费者的问题吧：
up(&full); // 将满槽的数目加 1
}
}
/* 消费者进程 */
void consumer(voi)
{
int item;
while(1)
{
down(&full); // 将满槽数目减 1
消息传递系统会面临位于网络中不同机器上的通信进程的情形，所以会更加的复杂。如：消息可能被网络丢失，一般使用确认（ACK）消息。如果发送方在一定的时间段内没有收到确认消息，则重发消息。
如果消息本身被正确接收，但是返回的 ACK 消息丢失，发送方则重发消息，这样接收方就会收到两份同样的消息。一般使用在每
生产者-消费者（producer-consumer）问题，也称作有界缓冲区（bounded-buffer）问题，两个进程共享一个公共的固定大小的缓冲区。其中一个是生产者，用于将消息放入缓冲区；另外一个是消费者，用于从缓冲区中取出消息。问题出现在当缓冲区已经满了，而此时生产者还想向其中放入一个新的数据项的情形，其解决方法是让生产者此时进行休眠，等待消费者从缓冲区中取走了一个或者多个数据后再去唤醒它。同样地，当缓冲区已经空了，而消费者还想去取消息，此时也可以让消费者进行休眠，等待生产者放入一个或者多个数据时再唤醒它。
while(true) // 无限循环
{
if (count == 0) // 如果缓冲区为空，进入休眠
{
sleep();
}
item = remove_item(); // 从缓冲区中取出一个数据项
1，使用信号量解决生产者-消费者问题
首先了解一下信号量吧，信号量是 E.W.Dijkstra 在 1965 年提出的一种方法，它是使用一个整型变量来累计唤醒的次数，供以后使用。在他的建议中，引入了一个新的变量类型，称为信号量(semaphore)，一个信号量的取值可以为 0（表示没有保存下来的唤醒操作）或者为正值（表示有一个或多个唤醒操作）。
up(&empty); // 将空槽数目加 1
consumer_item(item); // 处理数据项
}
}
该解决方案使用了三个信号量：一个为 full，用来记录充满的缓冲槽的数目，一个为 empty，记录空的缓冲槽总数，一个为 mutex，用来确保生产者和消费者不会同时访问缓冲区。mutex 的初始值为 1，供两个或者多个进程使用的信号量，保证同一个时刻只有一个进程可以进入临界区，称为二元信号量（binary semaphore）。如果每一个进程在进入临界区前都执行一个 down(...)，在刚刚退出临界区时执行一个 up(...)，就能够实现互斥。
{ // 消费者等待
wakeup(consumer); // 唤醒消费者
}
}
}
/* 消费者进程 */
void consumer(void)
{
int item; // 缓冲区中的数据项