[互联网面试笔试汇总C/C++-17] 生产者消费者模型

一、明确定义

要理解生产消费者问题，首先应弄清PV操作的含义：PV操作是由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：

P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；

②如果S>=0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。

V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；

②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

这只是书本的定义，对于这部分内容，老师先不要急于解释上面的程序流程，而是应该让学生首先知道P操作与V操作到底有什么作用。

P操作相当于申请资源，而V操作相当于释放资源。所以要学生记住以下几个关键字：

P操作----->申请资源

V操作---->释放资源

二、形象启发

为此举两个生活中的例子：

例一：在公共电话厅打电话

公共电话厅里有多个电话，如某人要打电话，首先要进行申请，看是否有电话空闲，若有，则可以使用电话，如果电话亭里所有电话都有人正在使用，那后来的人只有排队等候。当某人用完电话后，则有空电话腾出，正在排队的第一个人就可以使用电话。这就相当于PV操作：

某人要打电话，首先要进行申请，相当于执行一次P操作，申请一个可用资源（电话）；

某人用完电话，则有空电话腾出，相当于执行一次V操作，释放一个可用资源（电话）。

在多媒体课件中，这部分内容充分通过动画效果，演示整个申请电话资源（P操作）与释放电话资源（V操作）的过程，同时显示当前可用的资源个数（电话个数）。课件直观生动，一目了然，学生非常容易接受，并且理解深刻。

三、分层解剖

在理解了PV操作的的含义后，就必须讲解利用PV操作可以实现进程的两种情况：互斥和同步。根据互斥和同步不同的特点，就有利用PV操作实现互斥与同步相对固定的结构模式。这里就不详细讲解了。但生产者-消费者问题是一个有代表性的进程同步问题，要学生透彻理解并不容易。但是如果我们将问题细分成三种情况进行讲解，理解难度将大大降低。

1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。

可以作以下比喻：将一个生产者比喻为一个生产厂家，如伊利牛奶厂家，而一个消费者，比喻是学生小明，而一个缓冲区则比喻成一间好又多。第一种情况，可以理解成伊利牛奶生产厂家生产一盒牛奶，把它放在好又多一分店进行销售，而小明则可以从那里买到这盒牛奶。只有当厂家把牛奶放在商店里面后，小明才可以从商店里买到牛奶。所以很明显这是最简单的同步问题。

解题如下：

定义两个同步信号量：

empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

生产者进程

while(TRUE){
生产一个产品;
     P(empty);
     产品送往Buffer;
     V(full);
}

消费者进程

while(TRUE){
    P(full);
   从Buffer取出一个产品;
   V(empty);
   消费该产品;
}

2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。

第二种情况可以理解为伊利牛奶生产厂家可以生产好多牛奶，并将它们放在多个好又多分店进行销售，而小明可以从任一间好又多分店中购买到牛奶。同样，只有当厂家把牛奶放在某一分店里，小明才可以从这间分店中买到牛奶。不同于第一种情况的是，第二种情况有N个分店（即N个缓冲区形成一个环形缓冲区），所以要利用指针，要求厂家必须按一定的顺序将商品依次放到每一个分店中。缓冲区的指向则通过模运算得到。

解题如下：

定义两个同步信号量：

empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){
     生产一个产品;
     P(empty);
     产品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(full);
     }

消费者进程

while(TRUE){
 P(full);
   从buffer（out）中取出产品；
   out=(out+1)mod n；
   V(empty);
   消费该产品;
   }

3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区

第三种情况，可以理解成有多间牛奶生产厂家，如蒙牛，达能，光明等，消费者也不只小明一人，有许许多多消费者。不同的牛奶生产厂家生产的商品可以放在不同的好又多分店中销售，而不同的消费者可以去不同的分店中购买。当某一分店已放满某个厂家的商品时，下一个厂家只能把商品放在下一间分店。所以在这种情况中，生产者与消费者存在同步关系，而且各个生产者之间、各个消费者之间存在互斥关系,他们必须互斥地访问缓冲区。

解题如下：

定义四个信号量：

empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。

mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。

设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){
     生产一个产品;
     P(empty);
     P(mutex1)；
     产品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(mutex1);
     V(full);
     }

消费者进程

while(TRUE){
   P(full);
   P(mutex2)；
   从buffer（out）中取出产品；
   out=(out+1)mod n；
   V（mutex2）；
   V(empty);
}

仔细考虑一下，其实full，empty两个组合就是表示缓冲区的大小，mutex1=1，mutex2=1说明一次只能有一个线程进行操作。

对于full和empty来说，每次生产者或者消费者进行操作之后，缓冲区的关键状态都是变化的，关键状态即缓冲区中牛奶的数量，所以需要两个变量来进行表示。

而生产者，每生产完之后，对于这一个数量来说，关键状态是不变的，这里的关键状态指的是数量是否有线程占用，即是否需要互斥的状态，所以每个线程只需要一个变量来表示就ok了。