生产者消费者题型.docx

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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

semaphoremutex=1;

intcountA=0,countB=0;//A，B物品初值

voidputA{

while

（1）{

P（mutex）;

if（countA-countB）

{

*buffer=A;//A入库

buffer++;

countA++;

}

V（mutex）;

}}

voidputB{

while

（1）{

P（mutex）;

if（countB-countA）

{

*buffer=B;//B入库

buffer++;

countB++;

}

V（mutex）;

}}

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;

semaphores1=N,s2=M,mutex=1;

voidputA{

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

voidputB{

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：

semaphoreempty=N;

semaphorewheel=0;

semaphoreframe=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;

}while

（1）

分析上述解法易见，当工人1推进速度较快时，箱中空位置可能完全被车架占满或只留有一个存放车轮的位置，而当此时工人3同时取2个车轮时将无法得到，而工人2又无法将新加工的车轮放入箱中；当工人2推进速度较快时，箱中空位置可能完全被车轮占满，而当此时工人3取车架时将无法得到，而工人1又无法将新加工的车架放入箱中。

上述两种情况都意味着死锁，请比较死锁的四个必要条件。

为防止死锁的发生，箱中车架的数量不可超过N-2，车轮的数量不可超过N-1，这些限制可以用两个信号灯来表达。

semaphores1=N-2;//至少要给车轮留两个空位

semaphores2=N-1;//至少要给车架留一个空位

如此，对前面的解做补充，可以给出不含死锁的完整解法如下：

工人1活动：

do{

加工一个车架;

P（s1）;

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（s2）;

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）;

V（s1）;

P（wheel）;

P（wheel）;

箱中取二车轮;

V（empty）;

V（empty）;

V（s2）;

V（s2）;

组装为一台车;

}while

（1）

这个答案不算完善（但较容易理解），现有的信号量还有简化的余地。

4.某寺庙，有小和尚、老和尚若干．庙内有一水缸，由小和尚提水入缸，供老和尚饮用．水缸可容纳30桶水，每次入水、取水仅为1桶，不可同时进行。

水取自同一井中，水井径窄，每次只能容纳一个水桶取水。

设水桶个数为5个，试用信号灯和PV操作给出老和尚和小和尚的活动。

（这是北邮98年的考研题）

题意分析：

显而易见这道题是生产者---消费者问题的变种，但它比较复杂，我们用“各个击破”的方法解这道题。

我们能很容易地发现一个缓冲区：

水缸（大小为30），小和尚们是生产者（用桶提水入缸，每次仅限一桶，要互斥），老和尚们是消费者（用桶从缸中取水，每次仅限一桶，要互斥）。

照抄有界缓冲区生产者---消费者问题的解，如下：

semaphoreempty=30;//表示缸中目前还能装多少桶水，初始时能装30桶水

semaphorefull=0;//表示缸中有多少桶水，初始时缸中没有水

semaphoremutex_bigjar=1;//用于实现对缸的互斥操作

young_monk（）{

while

（1）{

P（empty）;

P（mutex_bigjar）;

purethewaterintothebigjar;

V（mutex_bigjar）;

V（full）;

}

old_monk（）{

while（）{

P（full）;

P（mutex_bigjar）;

getwaterfrombigjar;

V（mutex_bigjar）;

V（empty）;

}

下面考虑水井，水井是无界缓冲区（产品（水）总是满的，不用考虑产品（水）为空），而且只有小和尚们是消费者而无生产者，只需考虑小和尚们从水井取水时互斥就行了。

semaphoreempty=30;//表示缸中目前还能装多少桶水，初始时能装30桶水

semaphorefull=0;//表示缸中有多少桶水，初始时缸中没有水

semaphoremutex_bigjar=1;//用于实现对缸的互斥操作

semaphoremutex_well=1;//用于实现对井的互斥操作

young_monk（）{

while

（1）{

P（empty）;//缸里有空位

P（mutex_well）;//才能取水

getwaterfromwell;

V（mutex_well）;

P（mutex_bigjar）;

purethewaterintothebigjar;

V（mutex_bigjar）;

V（full）;

}

old_monk（）{

while（）{

P（full）;

P（mutex_bigjar）;

getwaterfrombigjar;;

V（mutex_bigjar）;

V（empty）;

}

下面考虑5只水桶，我们把它简单的看成5个共享资源就可以了，设一初值为5的信号量，和尚们（无论老小）要使用桶，就用信号量P操作申请一个，用完后用V操作释放，我们以前讲过，信号量可以用于资源的申请----释放。

semaphoreempty=30;//表示缸中目前还能装多少桶水，初始时能装30桶水

semaphorefull=0;//表示缸中有多少桶水，初始时缸中没有水

semaphoremutex_bigjar=1;//用于实现对缸的互斥操作

semaphoremutex_well=1;//用于实现对井的互斥操作

semaphorebuckets=5;//表示有多少只空桶可用，初始时有5只桶可用

young_monk（）{

while

（1）{

P（empty）;//缸里有空位

P（buckets）;//且有空桶可用

P（mutex_well）;//才能取水

getwaterfromwell;

V（mutex_well）;

P（mutex_bigjar）;

purethewaterintothebigjar;

V（mutex_bigjar）;

V（buckets）;//用完桶后释放

V（full）;

}

old_monk（）{

while（）{

P（full）;//缸里有水

P（buckets）;//且有空桶可用

P（mutex_bigjar）;//才能取水

getwaterfrombigjar;

V（mutex_bigjar）;

V（buckets）;//用完桶后释放

V（empty）;

}

加上桶的处理后，意味着小和尚们最多可占用5只桶排队从井里取水或向缸里倒水，老和尚们最多可占用5只桶排队从缸里取水。

用5个桶可以增加系统并发性。

这道题的解只能说基本正确，即不能说是最佳的，也不是没有遗漏的。