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。
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- 生产者 消费者 题型