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问题描述

有多个线程：多个生产者线程和一个消费者线程程共享一个初始为空、固定大小为maxbuf的缓存（缓冲区）。多个生产者的工作是向缓冲区中存数据，只有缓冲区没满时，每次只能选择一个生产者把消息放入到缓冲区，否则必须等待，如此反复; 同时，只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出消息，一次消费一个数据（即将其从缓存中移出），否则必须等待。由于缓冲区是临界资源，它只允许一个生产者放入消息，或者一个消费者从中取出消息。

问题分析

在前面的单个生产者&单个消费者问题中，我们使用了三个信号量来保证生成者与消费者的互斥。

对于生产者：

sem_wait(shared.empty); //empty--             sem_wait(shared.mutex); //获得互斥锁                 ....             sem_post(shared.mutex); //释放互斥锁         sem_post(shared.full); //full++

上面的代码可以保证每次只有一个生产者进入临界区，并且与消费者互斥访问。

对于消费者：

sem_wait(shared.full);  //full--             sem_wait(shared.mutex); //获得互斥锁                 ....             sem_post(shared.mutex); //释放互斥锁         sem_post(shared.empty); //empty--

上面的代码可以保证生产者与消费者之间的互斥。

通过上面的分析，我们发现之前的三个信号量就可以解决该问题，我们可以尝试用之前的代码框架来解决该问题。

问题解决（基于内存的信号量）

#include
   
    #include
    
     #include
     
      #include
      
       #include
       
        #include
        
         #define maxbuf 5#define pthread_n 4using namespace std;struct Shared{ int buf[maxbuf]; int next_in; sem_t mutex,empty,full;};Shared shared;void *produce(void *arg){ for(;;){ sem_wait(&shared.empty); sem_wait(&shared.mutex); if(shared.next_in >= maxbuf){ sem_post(&shared.mutex); return NULL; } if(shared.buf[shared.next_in] == 0){ shared.buf[shared.next_in] = shared.next_in; printf("Producer %d Successfully produce item %d\n",*((int *)arg),shared.next_in); } shared.next_in++; sem_post(&shared.mutex); sem_post(&shared.full); }}void *consume(void *arg){ for(int x=0;x
        
       
      
     
    
   

运行结果：

看起来好像运行正常，没什么问题。

我们修改一下创建的线程数量：4改为6（生产者数量大于缓冲区数量）

运行之后发现，程序陷入了死锁。所以原来的框架还是有问题。

修改

原来生产者线程中的代码：

sem_wait(&shared.empty);             sem_wait(&shared.mutex);                 if(shared.next_in >= maxbuf){                    sem_post(&shared.mutex);                    return NULL;                  }                 if(shared.buf[shared.next_in] == 0){                    shared.buf[shared.next_in] = shared.next_in;                    printf("Producer %d Successfully produce item %d\n",*((int *)arg),shared.next_in);                 }                 shared.next_in++;             sem_post(&shared.mutex);         sem_post(&shared.full);

添加一行代码：

sem_wait(&shared.empty);             sem_wait(&shared.mutex);                 if(shared.next_in >= maxbuf){                    sem_post(&shared.mutex);                    sem_post(&shared.empty); //退出前应该将empty的值+1                    return NULL;                  }                 if(shared.buf[shared.next_in] == 0){                    shared.buf[shared.next_in] = shared.next_in;                    printf("Producer %d Successfully produce item %d\n",*((int *)arg),shared.next_in);                 }                 shared.next_in++;             sem_post(&shared.mutex);         sem_post(&shared.full);

运行结果：

运行结果正常。

分析

我们来分析一下上面出现死锁的结果。

死锁时，shared.next_in的值为5，此时每个生产者线程都执行下面的代码：

if(shared.next_in >= maxbuf){                    sem_post(&shared.mutex);                 //   sem_post(&shared.empty);                    return NULL;                  }

此时由于生产者数量大于缓冲区个数，在进入临界区之前就已经将empty的值减一，但是此时并没有向缓存区生产数据，就会使得出现empty的值小于0的情况，从而造成死锁。因此返回时，得将empty的值加一。