大学操作系统实验：生产者-消费者问题与线程同步

本篇文档是关于大学期间操作系统实验报告的一部分，主要聚焦于"生产者-消费者问题"的实现。生产者-消费者问题是多线程编程中的经典案例，它涉及到两个线程角色：生产者负责生成数据放入缓冲池，消费者负责从缓冲池中取出数据。实验的目标是确保生产者和消费者之间的同步，防止出现缓冲区溢出或饥饿的问题。 首先，实验的核心需求是实现线程间的同步。当缓冲池为空时，消费者不能访问，生产者需等待；反之，当缓冲池满时，生产者需要等待，直到消费者消耗了一些元素。这就需要利用互斥锁（mutex）来保护共享的缓冲区，确保任何时候只有一个线程能够访问。同时，条件变量（condition variable）用于线程间的通信，当某个条件满足（如缓冲区为空或满）时，允许特定线程继续执行。 在代码实现部分，首先定义了一个`sbuf`类，包含了缓冲区、指针rear、互斥锁mu、空位计数器empty和占位计数器full等成员。`init()`函数用于初始化缓冲区状态，`insert()`方法用于将一个元素添加到缓冲区，通过增加full计数器并确保不是满状态。`remove()`方法用于移除并返回一个元素，更新空位计数器。`display()`方法则用于展示当前缓冲区的状态。 关键代码片段展示了生产者和消费者如何通过条件变量进行同步。生产者在`insert()`之前调用`wait()`，在缓冲区非满且获取到信号量后才进行生产操作。同样，消费者在`consume()`之前检查缓冲区是否为空，并在无其他线程访问时执行消费操作，然后释放锁并唤醒可能阻塞的其他线程。 总结来说，这篇实验报告涉及了操作系统中的并发控制机制，特别是多线程环境下如何通过互斥锁和条件变量来实现生产者和消费者之间的协调。参与者将学习到线程同步、条件变量的使用以及在实际编程中处理并发问题的最佳实践。通过这个实验，学生将增强对操作系统内部工作原理的理解，提高编写并发程序的能力。