生产者消费者问题模型

• 生产者消费者问题是一个经典的、多线程同步问题。
  • 有两个线程：一个生产者线程和一个消费者线程。两个线程共享一个初始为空、固定大小为N的缓存区。
    • 生产者的工作是**“生产”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，只有缓冲区非空时，消费者才能从中取出数据，一次消费一段数据，否则必须等待，如此反复。
• 问题的核心是要保证：
  • 不让生产者在缓冲区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冲区中取出数据。

生产者消费者问题本质

• 解决生产者消费者问题实际上是要解决线程间互斥关系问题和同步关系问题。
• 由于缓冲区是临界资源，它一个时刻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，所以这里我们需要解决一个互斥访问的问题。
• 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，所以我们还需要解决一个同步的问题。

生产者消费者解决模型

互斥

• 一个时刻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

  • 信号量的值只在1和0之间变化的信号量，被称为二值信号量

    

    注意：相同颜色的线为一条路径

    • 先定义一个二值信号量，并将其初始值设置为1
    • 生产者线程要访问共享资源的时候，先访问这个二值信号量，因为初始值为1，所以生产者线程可以顺利的访问到共享资源，二值信号量变为0 。
    • 消费者线程要访问共享资源的时候，因为这个二值信号量已经变为0了，所以无法访问。
    • 当生产者线程使用完共享资源之后，再释放这个二值信号量，这个时候消费者线程就可以访问共享资源了。
    • 然后消费者线程使用完共享资源之后，再释放这个二值信号量，这个时候生产者线程就可以访问共享资源了。
    • 这样就实现了互斥

同步

• 只有生产者生产之后，消费者才能消费

  

  • 要解决同步问题，需要有两个信号量
    • 缓冲区空信号量（用于指示缓冲区有多少位置为无数据）
      • 初始化为缓冲区的大小
    • 缓冲区满信号量（用于指示缓冲区有多少位置为有数据）
      • 初始化为0
  • 通过这两个信号量如何解决同步问题
    • 首先生产者线程获取缓冲区空信号量的值，然后进行生产
    • 生产完成之后，改变了缓冲区满信号量的值，然后生产者线程释放缓冲区满信号量。
    • 然后消费者线程获取缓冲区满信号量，然后进行消费。
    • 消费完成之后，改变了缓冲区空信号量的值，然后消费者线程释放缓冲区空信号量。
    • 这样就实现了同步

例子

• 代码
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