操作系统中的生产者-消费者问题扩展分析

"该文档包含了两个操作系统中的经典问题，分别是生产者-消费者问题的扩展版本。第一个问题是仓库无限，但A、B物品数量差值有约束；第二个问题加入了仓库容量限制，并有一个进程消费A、B物品来组装C。" 在操作系统中，生产者-消费者问题是多线程同步的经典案例，它涉及到了如何通过信号量和PV操作来协调生产者与消费者的动作，以避免数据竞争和死锁。以下是对这两个问题的详细解析： **扩展一（北大1991）** 这个问题的目标是在保持A、B物品数量差值在-M到N之间的情况下，允许它们同时入库。信号量在这里起到了限制和同步的作用。`sa`和`sb`分别代表A、B物品的库存上限，而`mutex`用于保护共享资源，防止并发冲突。 1. 当生产A物品时，先对`sa`进行P操作，检查是否有剩余库存，然后获得`mutex`，入库后释放`mutex`，最后执行V(`sb`)，增加B物品的入库机会。 2. 生产B物品的过程类似，先对`sb`进行P操作，再获取`mutex`，入库后释放`mutex`，最后执行V(`sa`)，增加A物品的入库机会。 这样的设计确保了物品数量差值不会超出设定范围，并且每次入库都会增加另一种物品的入库机会。 **扩展二（北大1995）** 在这个扩展中，仓库容量有限（N），同时存在一个额外的消费者进程C，需要A、B物品各一个来生产C。这里除了保持物品数量差值的约束外，还需要考虑仓库满与空的状态。引入了新的信号量`empty1`和`empty2`表示A、B的空位，`full1`和`full2`表示A、B的满位，以及`mutex`用于同步。 1. A物品入库时，先对`empty1`和`a`做P操作，检查是否有空位和库存，然后获取`mutex`入库，释放`mutex`，最后V(`full1`)表示A物品已满。 2. B物品入库类似，但P操作针对`empty2`和`b`，V(`full2`)表示B物品已满。 3. 消费者C需要先P(`full1`和`full2`)，确认A、B都有库存，然后获取`mutex`取出A、B，组合成C，释放`mutex`，最后V(`empty1`和`empty2`)恢复空位。 这个设计考虑了仓库的容量限制，同时保证了A、B物品的消费和入库的同步，避免了不合法状态的发生。 总结来说，这些问题展示了如何利用信号量机制来解决多线程环境中的同步问题，确保系统在满足特定约束条件下正确运行。在实际应用中，这种同步机制对于处理并发控制和资源管理至关重要。