面试题：并发与同步之生产者消费者模型问题

Question

在操作系统中，生产者 - 消费者模型是经典的并发同步场景。请描述如何使用信号量来实现生产者 - 消费者模型，并且说明信号量的取值及含义。

Answer 1

1. 实现步骤：
   • 定义信号量：
     • 通常需要两个信号量，一个用于表示缓冲区中的空闲槽位，命名为empty；另一个用于表示缓冲区中的已占用槽位，命名为full。还可能需要一个互斥信号量mutex来保护对共享缓冲区的访问。
   • 生产者代码：
     • 生产者首先等待empty信号量，若empty的值大于0，则将其值减1，意味着占用一个空闲槽位。
     • 然后获取mutex信号量，以确保对共享缓冲区的安全访问。
     • 向共享缓冲区写入数据。
     • 释放mutex信号量。
     • 最后发出full信号量，将full的值加1，表示缓冲区有新的数据可供消费。
   • 消费者代码：
     • 消费者首先等待full信号量，若full的值大于0，则将其值减1，意味着占用一个已占用槽位。
     • 然后获取mutex信号量，以确保对共享缓冲区的安全访问。
     • 从共享缓冲区读取数据。
     • 释放mutex信号量。
     • 最后发出empty信号量，将empty的值加1，表示缓冲区有了空闲槽位。
2. 信号量取值及含义：
   • empty信号量：
     • 初始值为共享缓冲区的大小n，表示缓冲区中的空闲槽位数量。其值的变化反映了缓冲区中空闲位置的情况，每次生产者向缓冲区写入数据前，empty的值减1；每次消费者从缓冲区读取数据后，empty的值加1。
   • full信号量：
     • 初始值为0，表示缓冲区中已占用槽位数量。其值的变化反映了缓冲区中数据的情况，每次生产者向缓冲区写入数据后，full的值加1；每次消费者从缓冲区读取数据前，full的值减1。
   • mutex信号量：
     • 初始值为1，它是一个二元信号量（取值为0或1），用于保护共享缓冲区的互斥访问。当一个线程获取mutex（值变为0）时，其他线程就不能再获取，直到该线程释放mutex（值变为1）。