设计一个生产者-消费者进程同步

生产者-消费者问题是一个经典的多线程同步问题，解决这个问题的方法有多种，其中最常见的方法是使用信号量机制。下面是一个基于信号量的生产者-消费者进程同步的示例代码（使用C语言编写）：

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

#define BUFFER_SIZE 10    // 缓冲池大小
#define PRODUCER_NUM 5    // 生产者数量
#define CONSUMER_NUM 5    // 消费者数量
#define MAX_SLEEP_TIME 3  // 生产者和消费者的最大睡眠时间

sem_t mutex, empty, full;  // 三个信号量

int buffer[BUFFER_SIZE];  // 缓冲池
int in = 0, out = 0;      // 缓冲池的读写指针

void *producer(void *arg) {
    int id = *(int *)arg;
    while (1) {
        // 生产者睡眠一段时间
        sleep(rand() % MAX_SLEEP_TIME + 1);

        // 生产一个产品
        int product = rand() % 100;

        // 等待empty信号量
        sem_wait(&empty);

        // 等待mutex信号量
        sem_wait(&mutex);

        // 将产品放入缓冲池
        buffer[in] = product;
        printf("Producer %d produce product %d\n", id, product);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;

        // 释放mutex信号量
        sem_post(&mutex);

        // 发送full信号量
        sem_post(&full);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void *consumer(void *arg) {
    int id = *(int *)arg;
    while (1) {
        // 消费者睡眠一段时间
        sleep(rand() % MAX_SLEEP_TIME + 1);

        // 等待full信号量
        sem_wait(&full);

        // 等待mutex信号量
        sem_wait(&mutex);

        // 从缓冲池中取出一个产品
        int product = buffer[out];
        printf("Consumer %d consume product %d\n", id, product);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;

        // 释放mutex信号量
        sem_post(&mutex);

        // 发送empty信号量
        sem_post(&empty);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    sem_init(&mutex, 0, 1);
    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);
    sem_init(&full, 0, 0);

    pthread_t producers[PRODUCER_NUM], consumers[CONSUMER_NUM];
    int producer_ids[PRODUCER_NUM], consumer_ids[CONSUMER_NUM];

    // 创建生产者线程
    for (int i = 0; i < PRODUCER_NUM; i++) {
        producer_ids[i] = i;
        pthread_create(&producers[i], NULL, producer, &producer_ids[i]);
    }

    // 创建消费者线程
    for (int i = 0; i < CONSUMER_NUM; i++) {
        consumer_ids[i] = i;
        pthread_create(&consumers[i], NULL, consumer, &consumer_ids[i]);
    }

    // 等待所有线程退出
    for (int i = 0; i < PRODUCER_NUM; i++) {
        pthread_join(producers[i], NULL);
    }
    for (int i = 0; i < CONSUMER_NUM; i++) {
        pthread_join(consumers[i], NULL);
    }

    sem_destroy(&mutex);
    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);

    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了三个信号量：mutex、empty和full。mutex信号量用于互斥地访问缓冲池，empty信号量用于表示缓冲池中还有多少空位可以放置产品，full信号量用于表示缓冲池中还有多少产品可以被消费。每个生产者线程在生产一个产品之前先等待empty信号量，表示缓冲池中还有空位可以放置产品；然后等待mutex信号量，表示它要进入临界区（访问缓冲池）；在生产完一个产品后，释放mutex信号量，表示它退出临界区；最后发送full信号量，表示缓冲池中又多了一个产品可以被消费。每个消费者线程在消费一个产品之前先等待full信号量，表示缓冲池中有产品可以被消费；然后等待mutex信号量，表示它要进入临界区（访问缓冲池）；在消费完一个产品后，释放mutex信号量，表示它退出临界区；最后发送empty信号量，表示缓冲池中又多了一个空位可以放置产品。这样，就可以保证生产者和消费者之间的同步和互斥了。