信号的同步互斥——五个经典问题

单生产者和单消费者问题

描述：
有两个进程：一组生产者进程和一组消费者进程共享一个初始为空、固定大小为n的缓存（缓冲区）。生产者的工作是制造一段数据，只有缓冲区没满时，生产者才能把消息放入到缓冲区，否则必须等待，如此反复; 同时，只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出消息，一次消费一段数据（即将其从缓存中移出），否则必须等待。由于缓冲区是临界资源，它只允许一个生产者放入消息，或者一个消费者从中取出消息。

问题的核心是：

要保证不让生产者在缓存还是满的时候仍然要向内写数据;
不让消费者试图从空的缓存中取出数据。

生产者和消费者对缓冲区互斥访问是互斥关系，同时生产者和消费者又是一个相互协作的关系，只有生产者生产之后，消费者才能消费，他们也是同步关系。

解决思路：对于生产者，如果缓存是满的就去睡觉。消费者从缓存中取走数据后就叫醒生产者，让它再次将缓存填满。若消费者发现缓存是空的，就去睡觉了。下一轮中生产者将数据写入后就叫醒消费者。
不完善的解决方案会造成“死锁”，即两个进程都在“睡觉”等着对方来“唤醒”。

只有生产者和消费者两个进程，正好是这两个进程存在着互斥关系和同步关系。那么需要解决的是互斥和同步PV操作的位置。使用“进程间通信”，“信号标”semaphore就可以解决唤醒的问题：

方法：
我们使用了两个信号标：full 和 empty 。信号量mutex作为互斥信号量，它用于控制互斥访问缓冲池，互斥信号量初值为 1；信号量 full 用于记录当前缓冲池中“满”缓冲区数，初值为0。信号量 empty 用于记录当前缓冲池中“空”缓冲区数，初值为n。新的数据添加到缓存中后，full 在增加，而 empty 则减少。如果生产者试图在 empty 为0时减少其值，生产者就会被“催眠”。下一轮中有数据被消费掉时，empty就会增加，生产者就会被“唤醒”。

伪代码：

semaphore mutex=1; //临界区互斥信号量
semaphore empty=n;  //空闲缓冲区
semaphore full=0;  //缓冲区初始化为空
producer ()//生产者进程 
{
    while(1)
    {
        produce an item in nextp;  //生产数据
        P(empty);  //获取空缓冲区单元
        P(mutex);  //进入临界区.
        add nextp to buffer;  //将数据放入缓冲区
        V(mutex);  //离开临界区,释放互斥信号量
        V(full);  //满缓冲区数加1
    }
}

consumer ()//消费者进程
{
    while(1)
    {
        P(full);  //获取满缓冲区单元
        P(mutex);  // 进入临界区
        remove an item from buffer;  //从缓冲区中取出数据
        V (mutex);  //离开临界区，释放互斥信号量
        V (empty) ;  //空缓冲区数加1
        consume the item;  //消费数据
    }
}

多生产者和多消费者问题

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，儿子专等吃盘子中的橘子，女儿专等吃盘子中的苹果。只有盘子为空时，爸爸或妈妈就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。

问题分析：
（1）关系分析。这里的关系稍复杂一些，首先由每次只能向其中放入一只水果可知爸爸和妈妈是互斥关系。爸爸和女儿、妈妈和儿子是同步关系，而且这两对进程必须连起来，儿子和女儿之间没有互斥和同步关系，因为他们是选择条件执行，不可能并发。

（2）整理思路。这里有4个进程，实际上可以抽象为两个生产者和两个消费者被连接到大小为1的缓冲区上。

进程之间的关系：

在这里插入图片描述
（3）信号量设置。首先设置信号量plate为互斥信号量，表示是否允许向盘子放入水果，初值为1，表示允许放入，且只允许放入一个。信号量 apple表示盘子中是否有苹果，初值为0，表示盘子为空，不许取，若apple=l可以取。信号量orange表示盘子中是否有橘子，初值为0，表示盘子为空，不许取，若orange=l可以取。

伪代码：

semaphore plate=l, apple=0, orange=0;
dad() {  //父亲进程
    while (1) {
        prepare an apple;
        P(plate) ;  //互斥向盘中取、放水果
        put the apple on the plate;  //向盘中放苹果
        V(apple);  //允许取苹果
    }
}
 
mom() {  // 母亲进程
    while(1) {
        prepare an orange;
        P(plate);  //互斥向盘中取、放水果
        put the orange on the plate;  //向盘中放橘子
        V(orange); //允许取橘子
    }
}
 
son(){  //儿子进程
    while(1){
        P(orange) ;  //互斥向盘中取橘子
        take an orange from the plate;
        V(plate);  //允许向盘中取、放水果
        eat the orange;
    }
}
 
daughter () {  //女儿进程
    while(1) {
        P(apple);  // 互斥向盘中取苹果
        take an apple from the plate;
        V(plate);  //运行向盘中取、放水果
        eat the apple;
    }
   }

吸烟者问题

问题描述：
某系统有三个吸烟者进程和一个经销商进程：

每个吸烟者连续不断做烟卷并抽他做好的烟卷，做一支烟卷需要烟草、纸、火柴三种原料，这3个吸烟者分别掌握有烟草、纸和火柴；
经销商源源不断地提供上述三种原料，但他只将其中的两种原料放在桌上，具有另一种原料的吸烟者就可做烟卷并抽烟，且在做完后给经销商发信号，然后经销商再拿出两种原料放在桌上，如此反复。
试设计一个同步算法来描述他们的活动。

分析：
吸烟者问题是经典的进程同步问题，其特点在于信号量的设置，本题的关键问题是判断有几个临界资源。烟草、纸和火柴三种原料并不能简单地看成是三种临界资源，因为它们并不是以单独的形式被三个吸烟者进程所竞争，而是以固定的组合被三个进程所申请因此可以考虑如下设置：

三个信号量t1、t2和t3分别代表三种原料组合，即t1表示烟草和纸的组合信号量，t2表示烟草和火柴的组合信号量，t3表示纸和火柴的组合信号量，初值均为0。
经销商一次只能提供一种组合，可以看作是放一个产品的缓冲区，资源量为一个组合，于是我们设置缓冲区的资源信号量为s，初值为1。由于该资源量为1，故可以同时作为互斥量来使用，可以省略对缓冲区操作的互斥信号量。

伪代码：

int random; //存储随机数
semaphore offer1=0; //定义信号量对应烟草和纸组合的资源
semaphore offer2=0; //定义信号量对应烟草和胶水组合的资源
semaphore offer3=0; //定义信号量对应纸和胶水组合的资源
semaphore finish=0; //定义信号量表示抽烟是否完成
 
//供应者
while(1){
    random = 任意一个整数随机数;
    random=random% 3;
    if(random==0)
        V(offerl) ; //提供烟草和纸
    else if(random==l) 
        V(offer2);  //提供烟草和胶水
    else
        V(offer3)  //提供纸和胶水
    // 任意两种材料放在桌子上;
    P(finish);
}
 
//拥有烟草者
while(1){
    P (offer3);
    // 拿纸和胶水，卷成烟，抽掉;
    V(fi