使用C语言实现模拟生产者 消费者进程实现同步与互斥操作，并加注释

下面是使用C语言实现的生产者消费者问题，并使用信号量实现同步与互斥操作的代码。代码中使用了POSIX标准的信号量库。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define BUFFER_SIZE 10

int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0, out = 0;

sem_t empty, full;
pthread_mutex_t mutex;

void *producer(void *arg)
{
    int item;
    while (1) {
        item = rand() % 1000; // 生成随机数
        sem_wait(&empty); // 等待空缓冲区
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        buffer[in] = item; // 将随机数添加到缓冲区中
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        printf("Producing item %d\n", item);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&full); // 增加满缓冲区信号量
        sleep(1);
    }
}

void *consumer(void *arg)
{
    int item;
    while (1) {
        sem_wait(&full); // 等待有数据可消费
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        item = buffer[out]; // 从缓冲区中取出数据
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        printf("Consuming item %d\n", item);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&empty); // 增加空缓冲区信号量
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;

    // 初始化信号量和互斥锁
    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);
    sem_init(&full, 0, 0);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建并启动生产者和消费者线程
    pthread_create(&tid1, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, consumer, NULL);

    // 等待线程结束
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    // 销毁信号量和互斥锁
    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

在上面的代码中，我们使用了一个大小为10的缓冲区作为生产者和消费者之间的共享资源。生产者线程会生成一个随机数，并将其添加到缓冲区中，而消费者线程则从缓冲区中取出一个随机数进行消费。为了实现线程间的同步和互斥，我们使用了POSIX标准的信号量库和互斥锁。

在程序开始时，我们通过调用sem_init函数和pthread_mutex_init函数来初始化信号量和互斥锁。empty信号量初始化为BUFFER_SIZE，表示缓冲区中有BUFFER_SIZE个空闲位置可以用于生产者线程添加随机数。full信号量初始化为0，表示缓冲区中没有可用于消费的数据。互斥锁初始化为NULL，表示使用默认的属性。

在生产者线程中，我们首先使用sem_wait函数来等待空闲缓冲区的出现。如果缓冲区已经满了，那么该函数会阻塞线程，等待信号量变为非0。然后，我们使用pthread_mutex_lock函数来获取互斥锁，保证在缓冲区中添加随机数时不会出现竞争和冲突。接着，我们将随机数添加到缓冲区中，更新in指针，打印出当前生产的数值。最后，我们使用pthread_mutex_unlock函数释放互斥锁，并使用sem_post函数增加full信号量，表示缓冲区中的可消费数据数量增加了一个。

在消费者线程中，我们首先使用sem_wait函数来等待有数据可消费。如果缓冲区为空，那么该函数会阻塞线程，等待信号量变为非0。然后，我们使用pthread_mutex_lock函数来获取互斥锁，保证在缓冲区中取出随机数时不会出现竞争和冲突。接着，我们从缓冲区中取出数据，更新out指针，打印出当前消费的数值。最后，我们使用pthread_mutex_unlock函数释放互斥锁，并使用sem_post函数增加empty信号量，表示缓冲区中的空闲位置数量增加了一个。

在程序结束时，我们通过调用sem_destroy函数和pthread_mutex_destroy函数来销毁信号量和互斥锁。