生产者--消费者题型

生产者--消费者题型

三、生产者—消费者题型

生产者---消费者题型在各类考试（考研、程序员证书、程序员面试笔试、期末考试）很常见，原因之一是生产者---消费者题型在实际的并发程序（多进程、多线程）设计中很常见；之二是这种题型综合性较好，涉及进程合作、互斥，有时还涉及死锁的避免。生产者---消费者题型可以全面考核你对并发程序的理解和设计能力。

生产者---消费者题型最基本的是有界缓冲区的生产者

---消费者问题和无界缓冲区的生产者---消费者问题，对这两个问题的解我们应该背下来，就像我们念高中时背一些题型一样。

1 有界缓冲区生产者-消费者问题的解前面的课程已多次讲过。假设缓冲区是无界的，试用信号灯与 PV 操作给出解法。

答：由于是无界缓冲区，所以生产者不会因得不到缓冲区而被阻塞。所以只需在前面的有界缓冲区解中去掉信号量empty及有关的PV操作即可。

2. 设有一个可以装A,B两种物品的仓库，其容量无限大，但要求仓库中A,B两种物品的数量满足下述不等式：-M≤A物品的数量-B物品的数量≤N，

其中M和N为正整数。

试用信号灯和PV操作描述A, B两种物品的入库过程。

（这是北大1991年研究生入学试题，原题不允许使用

条件表达式，解法1虽正确，但不符合原题要求）

解1：不等式 -M≤A物品的数量-B物品的数量≤N 意味着：

A物品的数量-B物品的数量≤N

B物品的数量-A物品的数量≤M

为防止缓冲区存入物品可能发生共享变量错误，A、

B入库时需要互斥。

解法1

ItemType *buffer; //仓库空间

semaphore mutex=1;

解法1借助条件表达式，用简单的互斥解题，与生产者----消费者题型毫无关系。

解法2：不使用条件表达式的解法。对于下面表达式

A物品的数量-B物品的数量≤N

B物品的数量-A物品的数量≤M

可以这样理解：

（1）若只放A而不放B，则A最多放N次便被阻塞，即假定有一个初值为N的信号量S1，A进程每操作一次就相当将信号量S1减1。当S<0时，A不能再放，此时每放入

一个B（相当于B消费了一件产品），可令S1的信号量加1，此时A有再放的机会。此时A是生产者B是消费者。（2）对B同理。即假定有一个初值为M的信号量S2。。。此时B是生产者A是消费者。

用这种解题思路，这道题就可归类于生产者----消费者问题。下面我们用思路（1）解这道题。

可以认为有一个有界缓冲区，大小为abs(N-M)，

A是生产者，缓冲区下界是M，其信号量S1=M

B是消费者，缓冲区上界是N，其信号量S2=N

下面是生产者进程A

ItemType *buffer;

semaphore s1=N, s2=M, mutex=1;

void putA {

while(1){

P(s1) //生产一件A

P(mutex);

*buffer=A;

buffer++;

V(mutex);

V(s2) //通知B进程

}

}

下面是消费者进程B

void putB {

while(1){

P(s2) //生产一件B

P(mutex);

*buffer=B;

buffer++;

V(mutex);

V(s1) //通知A进程

}

}

对这道题，我是从生产者----消费者题型来理解的，同学们可能有不同思路。这道题的解与生产者----消费者标准解法的差别在于信号量初值的设定上。

后面这个解，把信号量mutex和buffer++去掉也可以，因为这个题只要主要考点不在于互斥。

3. 设自行车生产线上有一只箱子，其中有 N 个位置( N ≥ 3)，每个位置可存放一个车架或一个车轮; 又设有三个工人，其活动分别为:

工人 1活动：

do {

加工一个车架 ; 车架放入箱中 ; } while (1) 工人 2活动：

do {

加工一个车轮 ;

车轮放入箱中 ;

} while (1)

工人 3活动：

do {

箱中取一个车架 ;

箱中取二个车轮 ;

组装为一台车 ;

} while (1)

试分别用信号灯与 PV 操作实现三个工人的合作，要求解中不含死锁。

这是三进程同步问题，属于生产者-消费者题型。

首先不考虑死锁问题，显然工人 1与工人3、工人2与工人3构成生产者与消费者关系，这两对生产/消费关系通过共同的缓冲区相联系。从资源的角度来看，箱子中的空位置相当于工人1和工人2的资源，而车架和车轮相当于工人3的资源。定义三个信号灯如下：

semaphore empty=N;

semaphore wheel=0;

semaphore frame=0;

三位工人的活动分别为：

工人1活动：do {

加工一个车架; P(empty);

车架放入箱中; V(frame);

} while (1) 工人2活动：

do {

加工一个车轮;

P(empty);

车轮放入箱中;

V(wheel);

} while (1)

工人3活动：

do {

P(frame);

箱中取一车架;

V(empty);

P(wheel);

P(wheel);

箱中取二车轮;

V(empty);

V(empty);

组装为一台车;