Operating System-进程间互斥的问题-生产者&&消费者引入

之前介绍的几种解决进程间互斥的方案，不管是Peterson方案还是TSL指令的方式，都有一个特点：当一个进程被Block到临界区外面时，被Block的进程会一直处于忙等待的状态，这个不但浪费了CPU资源，还会有一个很坏的副作用。假设两个进程，H，L，H的优先级高，L进程的优先级非常低，CPU的调度规则是只要H处于Ready状态，则开始运行H，问题来了：

• H处于BLock状态，可能在等待外部资源
• L进入了临界区
• H处于Ready状态（外部资源满足），L还没有离开临界区
• 按照调度规则，CPU会Switch到H，L会挂起。
• H开始运行，但是由于L在临界区，这个时候H会处于无限循环，一直处于临界区外面等待。
• L也将永远无法离开临界区

一、生产者消费者引入

1.1 解决无限等待问题

如果一个进程不容许进入临界区时，这个时候让这个进程block，则解决了无线等待问题，文章开头提出的问题也就解决了。怎么block进程。

1. 通过系统调用sleep，则可以让进程处于block状态。
2. 被sleep的进程会一直挂起直到被调用wakeup

示意图：

生产者消费者主要是当往Buffer插入数据的时候发现buffer已经满了，则让生产者sleep，而是不无限循环等待

当发现buffer没有数据的时候让消费者sleep，而不是无限循环等待。

当buffer有数据时候，但是发现之前消费者属于sleep状态，则让消费者wakeup。

当buffer没有数据时候，但是发现之前生产者处于sleep状态，则让生产者wakeup。

1.2 代码演示

#definne N   //buffer 的容量
int count = ;    //buffer中item的数量

void producer(void)
{
    int item;
    while(true)//永远执行
    {
        item= produce_item();//生成下一个item
        　　 if(count == N)//如果buffer已经满了，则sleep
        {
            sleep();
        }
        insert_item(item);//将item放入buffer
        　　 count = count + ;//数量+1
        　　 if(count == )//之前buffer是空的，所以consumer处于sleep状态，现在有item了，唤醒consumer
        {
            wakeup(consumer);
        }
    }
}

void consumer(void)
{
    int item;
    while(true)
    {
        if(count == )//如果buffer是空的，则sleep
        {
            sleep();
        }
        item = remove_item();//将item从buffer移除
        　　count = count - ;//数量-1
        　　if(count == N - )//之前buffer已经满了，所以producer处于sleep状态，现在移除了一个item，唤醒producer
        {
            wakeup(producer);
        }
        consume_item(item);//消费item
    }
}

二、生产者消费者的条件竞争问题

上面的代码依然存在竞争条件问题（Race Conditions），考虑如下情况：

1. buffer是空的，消费者刚刚读取到count，要去判断count是不是0，还没有走到sleep
2. scheduler决定暂时停止消费者，让CPU去运行生产者
3. 生产者如程序所示，会在buffer中增加一个item
4. 因为之前count是你0，所以消费者认为consumer应该是sleep状态
5. 发送wakeup（consumer）指令

以上完成后，由于之前的消费者因为cpu的调度没有走到sleep状态，所以wakeup对消费者是不起作用的。所以wakeup的信号就丢失了。

继续：

1. cpu决定运行消费者，这个时候会从之前暂停的地方开始，count==0成立，consumer会进入sleep状态
2. 接下来当生产者开始运行的时候，因为count已经是1了，所以永远都不会在运行wakeup(消费者）

最终结果：

1. 生产者把buffer插满
2. 消费者永远处于sleep状态

上面问题的关键是wakeup指令发给了一个没有sleep的进程，wakeup不起作用，wakeup的型号最终丢失了。

一个快速的解决方案是给进程加一个Wakeup waiting Bit，当一个wakeup请求发给一个处于wakeup的进程时，将这个进程的Wakeup waiting Bit标志位设置为true。接下来当有sleep给这个进程时，判断一下如果Wakeup waiting Bit为true，则不sleep。

这个方法能暂时解决问题，但是很糟糕，如果有多个进程时，就需要很多标志位。接下来几篇文章会专门将信号量，互斥体等来解决生产者消费者的竞争条件问题。