同步与互斥-操作系统

生产者–消费者问题

用到的概念：

• 信号量 (Semaphore) —— 用来同步和互斥，控制共享资源。
• P()、V() 操作 —— 分别是获取和释放信号量。
• 互斥信号量 (mutex) —— 用来保护临界区。
• 同步信号量 (empty、full) —— 用来控制生产者和消费者之间的同步。

信号量

在标准操作系统教材（如《操作系统概念》Silberschatz）里，经典的「生产者-消费者问题」，用的信号量名字就是：

• empty —— 空槽位数
• full —— 满槽位数
• mutex —— 缓冲区互斥锁

PV操作

这是标准的P/V操作，也叫信号量操作，源于操作系统理论。

• P(s)：对信号量s执行减1操作，如果s <= 0，调用P()的进程就阻塞等待。
• V(s)：对信号量s执行加1操作，如果有因为这个信号量而阻塞的进程，会唤醒其中一个。

P(empty)：

• 意义：检查是否还有空闲槽。
• 含义：empty是一个计数信号量，值表示空闲槽位数。
• 当empty > 0：能放入产品，值减1。
• 当empty == 0：没有空闲槽，调用P(empty)的进程就阻塞，直到有消费者消费掉一件产品。

P(mutex)：

• 意义：进入临界区。
• 含义：mutex是一个互斥信号量，值是0或1。
• 当mutex == 1：允许进入临界区，值减为0。
• 当mutex == 0：表示已经有别的进程进入，调用P(mutex)的进程阻塞。

V(mutex)：

• 意思：释放互斥锁。
• 执行完临界区后，调用V(mutex)让其他被阻塞的进程有机会进入。
• 简而言之：mutex值 +1，表示“我已经退出临界区，你们可以进来了。”

V(full)：

• 意思：增加满槽数。
• 执行完放入操作后，调用V(full)让因为P(full)而阻塞的消费者解锁。
• 简而言之：让消费者知道，“现在有一件产品可取了！”

例题

系统中有多个生产者进程和多个消费者进程，共享一个能存放1000件产品的环形缓冲区（初始为空）。缓冲区未满时，生产者进程可以放入其生产的一件产品，否则等待；缓冲区未空时，消费者进程可从缓冲区取走一件产品，否则等待。要求一个消费者进程从缓冲区连续取出10件产品后，其他消费者进程才可以取产品。请使用信号量PV操作实现进程间的互斥与同步，要求写出完整的过程，并说明所用信号量的含义和初值

信号量定义及初值

// 信号量及共享变量
semaphore empty = 1000;           // 空闲槽位数，初值为1000
semaphore full = 0;              // 满槽位数，初值为0
semaphore mutex = 1;              // 缓冲区互斥锁，初值为1
semaphore consumer_turn = 1;      // 控制消费者连续消费，初值为1
// 共享变量
int count_10 = 0;                // 当前连续消费数

🟩 生产者代码

while (1) {
    item = produce();
    P(empty);           // 检查是否还有空位
    P(mutex);           // 获取互斥锁
    put_item(item);      // 向缓冲区放入产品
    V(mutex);           // 释放互斥锁
    V(full);            // 增加满槽数，通知消费者
}

🟦 消费者代码

while (1) {
    P(consumer_turn);           // 获取消费权
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        P(full);                // 检查是否有产品
        P(mutex);               // 获取互斥锁
        item = remove_item();    // 从缓冲区取出产品
        V(mutex);               // 释放互斥锁
        V(empty);               // 增加空槽数，通知生产者
        consume(item);
    }
    V(consumer_turn);           // 完成10次消费，释放消费权
}

具体的应用

在实际编程里，它出现在：

• 线程池、协程池
• 消息队列、任务队列
• 网络IO、日志收集器
• 缓冲区管理