1 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，儿子专等着吃盘子中的橘子，女儿专等着吃盘子中的苹果。只有盘子空时，爸爸或妈妈才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水果。
2 问题分析
-
关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、互斥关系。
多生产者-多消费者问题关系分析如下：
互斥关系： 对缓冲区（盘子）的访问要互斥地进行
同步关系（一前一后）：
- 父亲将苹果放入盘子后，女儿才能取苹果
- 母亲将橘子放入盘子后，儿子才能取橘子
- 只有盘子为空时，父亲或母亲才能放入水果
注意：“盘子为空”这个事件可以由儿子或女儿触发，事件发生后才允许父亲或母亲放水果
- 整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序。
由以上的同步、互斥关系分析，将多生产者-多消费者问题描绘出图形：
-
设置信号量。设置需要的信号量，并根据题目条件确定信号量初值。
（互斥信号量初值一般为 1，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少）
本问题中信号量设置如下：
semaphore mutex = 1; //实现互斥访问盘子（缓冲区）
semaphore apple = 0; //盘子中有几个苹果
semaphore orange = 0; //盘子中有几个橘子
semaphore plate = 1; //盘子中还可以放多少个水果
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模型实现：
dad
：先准备一个苹果，放苹果之前，先判断盘子里是否为空（P一下盘子，检查盘子中还可以放多少个水果），然后再将苹果放入进去（V一下苹果，数量+1）
mom
：先准备一个橘子，放橘子之前，先判断盘子里是否为空（P一下盘子，检查盘子中还可以放多少个水果），然后再将橘子放入进去（V一下橘子，数量+1）
daughter
：拿苹果之前，先判断盘子里有没有苹果（P一下苹果，若没有苹果，自己被阻塞），然后告诉父母，盘子为空了（V一下盘子）
son
：拿橘子之前，先判断盘子里有没有橘子（P一下橘子，若没有橘子，自己被阻塞），然后告诉父母，盘子为空了（V一下盘子）
以下实现了所有进程之间的同步关系：
还需要实现各个进程对盘子（缓冲区）的互斥访问：
就是所有进程对盘子进行PV操作，即加锁和解锁的过程
3 代码实现
semaphore mutex = 1; //实现互斥访问盘子（缓冲区）
semaphore apple = 0; //盘子中有几个苹果
semaphore orange = 0; //盘子中有几个橘子
semaphore plate = 1; //盘子中还可以放多少个水果
dad (){
while(1){
准备一个苹果;
P(plate);
P(mutex);
向盘子中放苹果;
V(mutex);
V(apple); //允许女儿进程取苹果
}
}
mom (){
while(1){
准备一个橘子;
P(plate);
P(mutex);
向盘子中放橘子;
V(mutex);
V(orange); //允许儿子进程取橘子
}
}
daughter (){
while(1){
P(apple);
P(mutex);
从盘子中取出苹果;
V(mutex);
V(plate); //允许父母进程进程向盘子中取放水果
吃苹果;
}
}
son (){
while(1){
P(orange);
P(mutex);
从盘子中取出橘子;
V(mutex);
V(plate); //允许父母进程进程向盘子中取放水果
吃橘子;
}
}
4 分析总结
- 问题：可不可以不用互斥信号量？
结论：即使不设置专门的互斥变量
mutex
，也不会出现多个进程同时访问盘子的现象
原因在于：本题中的缓冲区大小为1，在任何时刻，
apple、orange、plate
三个同步信号量中最多只有一个是1。因此在任何时刻， 最多只有一个进程的P操作不会被阻塞，并顺利地进入临界区…
- 若将缓冲区设置为2会发生什么现象？
父亲P(plate)，可以访问盘子→母亲P(plate)，可以访问盘子→父亲在往盘子里放苹果，同时母亲也可以往盘子里放橘子。于是就出现了两个进程同时访问缓冲区的情况，有可能导致两个进程写入缓冲区的数据相互覆盖的情况。
因此，如果缓冲区大小大于1，就必须专门设置一个互斥信号量
mutex
来保证互斥访问缓冲区。
- 总结：在生产者-消费者问题中，如果缓冲区大小为1，那么有可能不需要设置互斥信号量就可以实现 互斥访问缓冲区的功能。当然，这不是绝对的，要具体问题具体分析。
- 建议：在考试中如果来不及仔细分析，可以加上互斥信号量，保证各进程一定会互斥地访问缓冲区。 但需要注意的是，实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后，否则可能引起“死锁”。
理解理清复杂的同步关系：
在分析同步问题（一前一后问题）的时候
不能从单个进程行为的角度来分析，要把“一前一后”发生的事看做是两种“事件”的前后关系。
比如，如果从单个进程行为的角度来考虑的话，我们会有以下结论：
- 如果盘子里装有苹果，那么一定要女儿取走苹果后父亲或母亲才能再放入水果
- 如果盘子里装有橘子，那么一定要儿子取走橘子后父亲或母亲才能再放入水果
- 这么看是否就意味着要设置四个同步信号量分别实现这四个“一前一后”的关系了？
正确的分析方法应该
从“事件”的角度来考虑
我们可以把上述四对“进程行为的前后关系”抽象为 一对“事件的前后关系”
- 盘子变空事件→放入水果事件。“盘子变空事件”既可由儿子引发，也可由女儿引发；
- “放水果事件” 既可能是父亲执行，也可能是母亲执行。
- 这样的话，就可以用一个同步信号量解决问题了
