生产者消费者模型

​ 生产者消费者模型

生产者-消费者问题

生产者 ——> 放入数据 ——> 缓冲区 <—— 消费者

生产者-消费者问题描述：

• ⽣产者在⽣成数据后，放在⼀个缓冲区中；
• 消费者从缓冲区取出数据处理；
• 任何时刻，只能有⼀个⽣产者或消费者可以访问缓冲区；

问题分析：

• 任何时刻只能有⼀个线程操作缓冲区，说明操作缓冲区是临界代码，需要互斥；
• 缓冲区空时，消费者必须等待⽣产者⽣成数据；缓冲区满时，⽣产者必须等待消费者取出数据。说明⽣产者和消费者需要同步。

需要三个信号量，分别是：

• 互斥信号量 mutex ：⽤于互斥访问缓冲区，初始化值为 1；
• 资源信号量 fullBuffer ：⽤于消费者询问缓冲区是否有数据，有数据则读取数据，初始化值为 0（表明缓冲区⼀开始为空）；
• 资源信号量 emptyBuffer ：⽤于⽣产者询问缓冲区是否有空位，有空位则⽣成数据，初始化值为 n （缓冲区⼤⼩）；

具体实现代码：

#define N 100
semaphore mutex = 1;         //互斥信号量，用于临界区的互斥访问
semaphore emptyBuffer = N;  //表示缓冲区 [空槽] 的个数
semaphore fullBuffer = 0;   //表示缓冲区 [满槽] 的个数

//生产者线程函数
void producer(){
    while(true){
        P(emptyBuffer);         //将空槽的个数 -1
        P(mutex);               //进入临界区
        将生产的数据放到缓冲区中； 
        V(mutex);               //离开临界区
        V(fullBuffer);          //将满槽的个数 +1
    }
}

//消费者线程函数
void consumer(){
    while(true){
        P(fullBuffer);          //将满槽个数 -1
        P(mutex);               //进入临界区
        从缓冲区读取数据;
        V(mutex);               //离开临界区
        V(emptyBuffer);         //将空槽的个数 +1
    }
}

如果消费者线程⼀开始执⾏ P(fullBuffers) ，由于信号量 fullBuffers 初始值为 0，则此时 fullBuffers 的值从 0 变为 -1，说明缓冲区⾥没有数据，消费者只能等待。

接着，轮到⽣产者执⾏ P(emptyBuffers) ，表示减少 1 个空槽，如果当前没有其他⽣产者线程在临界区执⾏代码，那么该⽣产者线程就可以把数据放到缓冲区，放完后，执⾏V(fullBuffers) ，信号量 fullBuffers 从 -1 变成 0，表明有「消费者」线程正在阻塞等待数据，于是阻塞等待的消费者线程会被唤醒。

消费者线程被唤醒后，如果此时没有其他消费者线程在读数据，那么就可以直接进⼊临界区，从缓冲区读取数据。最后，离开临界区后，把空槽的个数 + 1。