操作系统原理与Linux实践教程 实验七使用信息量解决生产者-消费者问题

生产者-消费者问题是一个经典的并发问题，在多线程编程中经常用到。在该问题中，有两种角色：生产者和消费者。生产者生成数据，并且将数据放入共享的缓冲区中；而消费者则从该缓冲区中取出数据并进行处理。但是由于生产者和消费者是并发执行的，在多线程环境下，可能会出现一些问题，如竞争条件、死锁等。因此，需要采用一些同步机制来保证正确的执行顺序。

在实验七中，我们将使用信息量来解决生产者-消费者问题。信息量是一种同步机制，它通过一个计数器来实现线程间的同步和协调。当计数器的值为0时，表示缓冲区为空，消费者等待；当计数器的值为缓冲区的容量时，表示缓冲区已满，生产者等待。当生产者向缓冲区中添加一个数据时，计数器的值加1；当消费者从缓冲区中取出一个数据时，计数器的值减1。

下面是使用信息量解决生产者-消费者问题的代码示例（C语言）：

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

#define BUFFER_SIZE 5  // 缓冲区大小

int buffer[BUFFER_SIZE];  // 缓冲区
int in = 0;  // 生产者放置数据的位置
int out = 0;  // 消费者取数据的位置

sem_t empty_sem;  // 空信号量
sem_t full_sem;  // 满信号量
pthread_mutex_t mutex;  // 互斥锁

void *producer(void *arg)  // 生产者线程函数
{
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        sem_wait(&empty_sem);  // 等待空信号量
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁

        // 往缓冲区放入数据
        buffer[in] = i;
        printf("producer put %d in buffer[%d]\n", i, in);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;

        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁
        sem_post(&full_sem);  // 发送满信号量
        sleep(1);  // 生产者睡眠1秒
    }
}

void *consumer(void *arg)  // 消费者线程函数
{
    int i, data;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        sem_wait(&full_sem);  // 等待满信号量
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁

        // 从缓冲区取出数据
        data = buffer[out];
        printf("consumer get %d from buffer[%d]\n", data, out);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;

        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁
        sem_post(&empty_sem);  // 发送空信号量
        sleep(2);  // 消费者睡眠2秒
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid1, tid2;

    sem_init(&empty_sem, 0, BUFFER_SIZE);  // 初始化空信号量
    sem_init(&full_sem, 0, 0);  // 初始化满信号量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // 初始化互斥锁

    pthread_create(&tid1, NULL, producer, NULL);  // 创建生产者线程
    pthread_create(&tid2, NULL, consumer, NULL);  // 创建消费者线程

    pthread_join(tid1, NULL);  // 等待生产者线程
    pthread_join(tid2, NULL);  // 等待消费者线程

    sem_destroy(&empty_sem);  // 销毁空信号量
    sem_destroy(&full_sem);  // 销毁满信号量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 销毁互斥锁

    return 0;
}

在该示例中，信号量empty_sem表示缓冲区空的数量，full_sem表示缓冲区满的数量。生产者线程在向缓冲区中添加一个数据时，需要等待empty_sem信号量，如果缓冲区已满，则阻塞等待；添加完数据后，需要发送full_sem信号量，表示缓冲区中已经有了一个数据。消费者线程在从缓冲区中取出一个数据时，需要等待full_sem信号量，如果缓冲区为空，则阻塞等待；取出数据后，需要发送empty_sem信号量，表示缓冲区中空的数量又加1。互斥锁mutex用于保护缓冲区的访问，避免竞争条件的发生。