2.6操作系统(生产者消费问题多生产者

目录 1.生产者消费问题 能否改变相邻P、V操作的顺序? 2.多生产者—消费者问题 如何实现? …

目录

1.生产者消费问题

能否改变相邻P、V操作的顺序?

2.多生产者—消费者问题

如何实现?

可不可以不用互斥信号量?

如果盘子(缓冲区)容量为2

知识回顾与重要考点

3.吸烟者问题

如何实现


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系列专栏:操作系统

1.生产者消费问题

  • 系统中有一组生产者进程和一组消费者进程,生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区,消费者
  • 进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。(注:这里的“产品”理解为某种数据)
  • 生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。
  • 只有 缓冲区没满 时,生产者才能把产品放入缓冲区,否则必须等待。 【缓冲区没满→生产者生产】

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只有 缓冲区不空 时,消费者才能从中取出产品,否则必须等待。 【缓冲区没空→消费者消费】

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缓冲区是临界资源,各进程必须互斥地访问

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作题目分析步骤:

1. 关系分析。找出题目中描述的各个进程,分析它们之间的同步、互斥关系。

2. 整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序。 【生产者每次要消耗一个空闲缓冲区,并生产(V)一个产品。消费者每次要消耗(P)一个产品,并释放一个空闲缓冲区V) 。往缓冲区放入/取走产品需要互斥。】

3. 设置信号量。并根据题目条件确定信号量初值。(互斥信号量初值一般为1,同步信号量的初 始值要看对应资源的初始值是多少)

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能否改变相邻P、V操作的顺序?

若此时缓冲区内已经放满产品,则 empty=0 full=n

则生产者进程执行① 使 mutex 变为 0 ,再执行②,由于已没有空闲缓冲区,因此生产者被阻塞。

由于生产者阻塞,因此切换回消费者进程。消费者进程执行③,由于 mutex 0 ,即生产者还没

释放对临界资源的“锁”,因此消费者也被阻塞。

这就造成了生产者等待消费者释放空闲缓冲区,而消费者又等待生产者释放临界区的情况,生

产者和消费者循环等待被对方唤醒,出现“死锁”。

同样的,若缓冲区中没有产品,即 full=0 empty=n 。按③④① 的顺序执行就会发生死锁。

因此, 实现互斥的 P 操作一定要在实现同步的 P 操作之后

V 操作不会导致进程阻塞,因此 两个 V 操作顺序可以交换

生产者消费者问题是一个互斥、同步的综合问题。

有时候是消费者需要等待生产者生产,有时候是生产者要等待消费者消费,这是两个不同的“一前一后问题”,因此也需要设置两个同步信号量。

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2.多生产者—消费者问题

问题描述

桌子上有一只盘子,每次只能向其中放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果,妈妈专向盘子中放 橘子,儿子专等着吃盘子中的橘子,女儿专等着吃盘子中的苹果。只有盘子空时,爸爸或妈妈才可向盘子中放一个水果。仅当盘子中有自己需要的水果时,儿子或女儿可以从盘子中取出水果。

用PV 操作实现上述过程:

关系分析。找出题目中描述的各个进程,分析它们之间的同步、互斥关系。
整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序。【互斥:在临界区前后分别PV;同步:前V后P】
设置信号量。设置需要的信号量,并根据题目条件确定信号量初值。(互斥信号量初值一般为1,同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少)

如何实现?

可不可以不用互斥信号量?

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分析:刚开始,儿子、女儿进程即使上处理机运行也会被阻塞。如果刚开始是父亲进程先上处理机运行,则:父亲 P(plate),可以访问盘子→母亲 P(plate),阻塞等待盘子→父亲放入苹果V(apple),女儿进程被唤醒,其他进程即使运行也都会阻塞,暂时不可能访问临界资源(盘子)→女儿 P(apple),访问盘子,V(plate),等待盘子的母亲进程被唤醒à母亲进程访问盘子(其他进程暂时都无法进入临界区)→……

结论:即使不设置专门的互斥变量mutex,也不会出现多个进程同时访问盘子的现象

原因在于:本题中的缓冲区大小为1,在任何时刻,apple、orange、plate 三个同步信号量中最多只有一个是1。因此在任何时刻,最多只有一个进程的P操作不会被阻塞,并顺利地进入临界区…

如果盘子(缓冲区)容量为2

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父亲 P(plate) ,可以访问盘子 à 母亲 P(plate) ,可以访问盘子 à 父亲在往盘子里放苹果,同时母亲也可以往盘子里放橘子。于是就出现了两个进程同时访问缓冲区的情况,有可能导致两个进程写入缓冲区的数据相互覆盖的情况。

因此,如果缓冲区大小大于1,就必须专门设置一个互斥信号量 mutex 来保证互斥访问缓冲区。

总结:在生产者-消费者问题中,如果缓冲区大小为1,那么有可能不需要设置互斥信号量就可以实现互斥访问缓冲区的功能。当然,这不是绝对的,要具体问题具体分析。

建议:在考试中如果来不及仔细分析,可以加上互斥信号量,保证各进程一定会互斥地访问缓冲区。但需要注意的是,实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后,否则可能引起“死锁”

PV 操作题目的解题思路:

①、关系分析。找出题目中描述的各个进程,分析它们之间的同步、互斥关系。
②、整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序。
③、设置信号量。设置需要的信号量,并根据题目条件确定信号量初值。(互斥信号量初值一般为1,同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少)

知识回顾与重要考点

  • 解决“多生产者-多消费者问题”的关键在于理清复杂的同步关系。
  • 在分析同步问题(一前一后问题)的时候不能从单个进程行为的角度来分析,要把“一前一后”发生的事看做是两种“事件”的前后关系。
  • 比如,如果从单个进程行为的角度来考虑的话,我们会有以下结论:
    ①、如果盘子里装有苹果,那么一定要女儿取走苹果后父亲或母亲才能再放入水果
    ②、如果盘子里装有橘子,那么一定要儿子取走橘子后父亲或母亲才能再放入水果
  • 这么看是否就意味着要设置四个同步信号量分别实现这四个“一前一后”的关系了?
  • 正确的分析方法应该从“事件”的角度来考虑,我们可以把上述四对“进程行为的前后关系”抽象为一对“事件的前后关系”
  • 盘子变空事件→放入水果事件。“盘子变空事件”既可由儿子引发,也可由女儿引发;“放水果事件”
  • 既可能是父亲执行,也可能是母亲执行。这样的话,就可以用一个同步信号量解决问题了

3.吸烟者问题

假设一个系统有 三个抽烟者进程 一个供应者进程 。每个抽烟者不停地卷烟并抽掉它,但是要卷起并抽掉一支烟,抽烟者需要有三种材料:烟草、纸和胶水。三个抽烟者中, 第一个拥有烟草、第二个拥有纸、第三个拥有胶水 。供应者进程无限地ᨀ 供三种材料,供应者每次将两种材料放桌子上, 拥有剩下那种材料的抽烟者卷一根烟并抽掉它 ,并 给供应者进程一个信号告诉完成了 ,供应者就会放另外两种材料再桌上,这个过程一直重复( 让三个抽烟者轮流地抽烟

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本质上这题也属于“生产者-消费者”问题,更详细的说应该是“可生产多种产品的单生产者-多

消费者”。

1. 关系分析。找出题目中᧿ 述的各个进程,分析它们之间的同步、互斥关系。

2. 整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序

3. 设置信号量。设置需要的信号量,并根据题目条件确定信号量初值。(互斥信号量初值一般为 1,同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少)

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如何实现

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吸烟者问题可以为我们解决“可以生产多个产品的单生产者”问题提供一个思路。

值得吸取的精华是:“轮流让各个吸烟者吸烟”必然需要“轮流的在桌上放上组合一、二、三”,注意体会我们是如何用一个整型变量 i 实现这个“轮流”过程的。

如果题目改为“每次随机地让一个吸烟者吸烟”,我们有应该如何用代码写出这个逻辑呢?

若一个生产者要生产多种产品(或者说会引发多种前驱事件),那么各个V操作应该放在各自对应的“事件”发生之后的位置。

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作者: HUI

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