進程同步---生產者與消費者問題以及進程同步機制--信號量及P、V操作

進程同步 synchronization

描述

指系統中多個進程中發生的時間存在某種時序關關係，需要相互合作，共同完成一項任務。

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場景

一個進程運行到某一點時，要求另一個夥伴進程爲它提供消息，在未獲得消息之前，該進程進入阻塞態，獲得消息後被喚醒進入就緒態。*

生產者與消費者問題又稱爲有界緩衝區問題

場景：

• 一個或者多個生產者生產某種類型的數據放置在緩衝區中
• 有消費者從緩衝區中取數據，每次取一項
• 只能有一個生產者貨消費者對緩衝區進行操作

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要解決的問題：

• 當緩衝區已滿時，生產者不會繼續向其中添加數據
• 當緩衝區爲空時，消費者不會從中移走數據
• 要避免忙等待，睡眠和喚醒操作（原語）

#define N 100
int count = 0;
void producer(void)
｛
    int item;
    while(TRUE)
    {
        item = produce_item();
        if(count == N)         /*判斷緩衝區是否滿了*/
            sleep();
        insert_item(item);
        count = count + 1;
        if(count == 1) /*判斷是否有消費者睡眠*/
            wakeup(consumer);
    }
｝

void consumer(void)
{
    int item;
    while(TRUE)
    {
        if(count == 0) /*判斷是否有數據*/
            sleep();
        item = remove_item();
        count = count - 1;
        if(count == N-1) /*判斷是否有生產者睡眠*/
            wakeup(producer);
        consume_item(item);
    }
}

一種經典的進程同步機制–信號量及P、V操作

信號量及P、V操作

• 一個特殊變量
• 用於進程間傳遞信息的一個整數值
• 定義

struct semaphore
{
    int count;
    queueType queue;
}

• 信號量說明： semaphore s;
• 對信號量可以實施的操作：初始化、P和V（P、V是指荷蘭語中的test(porberen)和increment(verhogen)）
  
  • P、V操作爲原語操作（Primitive or atomic action）
  • 在信號量上定義了三個操作初始化（非負數）、P操作、V操作
  • 最初提出的是二元信號量（解決互斥）之後推廣到一般信號量（多值）或計數信號量（解決同步）

P(s)
{
    s.count--;
    if(s.count < 0)
    {
        該進程狀態置爲阻塞狀態；
        該進程插入相應的等待隊列s.queue末尾；
        重新調度；
    }
}

V(s)
{
    s.count++;
    if(s.count <= 0)
    {
        喚醒相應的等待隊列s.queue中等待的一個進程；
        改變其狀態爲就緒態，並將其插入就緒隊列；
    }
}

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用PV操作解決進程間的互斥問題

• 分析併發進程的關鍵活動，或定臨界區
• 設置信號量 mutex，初值爲1
• 在臨界區前實施P(mutex)
• 在臨界區之後實施V(mutex)

用信號量解決生產者、消費者問題

#define N 100                   /*緩衝區個數*/
typedef int semaphore;          /*信號量是一種特殊的整數類型*/
semaphore mutex = 1;            /*互斥信號量：控制對臨界區的訪問*/
semaphore empty= N;             /*空緩衝區的個數*/
semaphore full = 0;             /*滿緩衝區個數*/
void producer(void)
{
    int item;
    while(TRUE)
    {
        item = produce_item()
        P(&empty);
        P(&mutex);
        insert_item(item);
        V(&mutex);
        V(&full);

    }

}

void consumer(void)
{
    int item;
    while(TRUE)
    {
        P(&full);
        P(&mutex);
        item = remove_item()
        P(&mutex);
        V(&empty);
        consume_item(item);
    }

}

producer中P(&empty);P(&mutex);中不能顛倒位置會造成死鎖問題。consumer中的V(&mutex);V(&full);V操作位置可以顛倒，不會出錯，但是現在最好，還有consume_item(item);放在臨界區內也行，不會出錯，但是會增加臨界區的發威，現在這種排序的臨界區範圍最小。