生产者消费者问题(在别人的基础上加了一点点点点的东西)

时间:2022-10-23 04:04:43

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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:

    PS):①将信号量S的值减1,即S=S-1

           ②如果S³0,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。

    VS):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);

   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1n-1,定义两个指针inout,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bufferin);

     in=(in+1)mod n

     V(full);

     }

消费者进程

while(TRUE){

 P(full);

   bufferout)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1n-1,定义两个指针inout,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bufferin);

     in=(in+1)mod n

     V(mutex1);

     V(full);

     }

消费者进程

while(TRUE)

{

 P(full);

   P(mutex2)

   bufferout)中取出产品;

   out=(out+1)mod n

   Vmutex2);

   V(empty);

}


注意:同步信号量应该加在互斥信号量的前边,如果互斥信号量加在前边,当生产者阻塞在同步信号量时,需要消费者释放一个资源,但是由于互斥信号量此时为0,所以消费者无法进行资源释放,从而会产生死锁