生产者与消费者模型&同步异步概念

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https://blog.csdn.net/fuzhongmin05/article/details/54616344

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无法避免竞争

对count的访问没有做限制。

这里有可能出现竞争条件，其原因是对count的访问未作限制。有可能出现以下情况：缓冲区为空，消费者刚刚读取count的值发现它为0，此时调度程序决定暂停消费者并启动运行生产者。生产者向缓冲区加入一个数据项，count加1。现在count的值变成了1，它推断认为count刚才为0，所以消费者此时一定在睡眠，于是生产者调用wakeup来唤醒消费者。

但是消费者在逻辑上并未睡眠，所以wakeup信号丢失，当消费者下次运行时，它将测试先前读取的count值，发现它为0。于是睡眠，生产者迟早会填满整个缓冲区，然后睡眠，这样一来，两个进程将永远睡眠下去。

引入信号量的操作

Dijkstra建议设立两种操作：down和up（分别为一般化后的sleep和wakeup）。对一信号量执行down操作，则是检查其值是否大于0。若该值大于0，则将其减1（即用掉一个保存的唤醒信号）并继续；若该值为0，则进程将睡眠，而且此时down操作并未结束。检查数值、修改变量值以及可能发生的睡眠操作均作为一个单一的、不可分割的原子操作完成。保证一旦一个信号量操作开始，则在该操作完成或阻塞之前，其他进程均不允许访问该信号量。这种原子性对于解决同步问题和避免竞争条件是绝对必要的。所谓原子操作，是指一组相关联的操作要么都不间断地执行，要么不执行。

up操作对信号量的值增1。如果一个或多个进程在该信号量上睡眠，无法完成一个先前的down操作，则由系统选择其中的一个（如随机挑选）并允许该进程完成它的down操作。于是，对一个有进程在其上睡眠的信号量执行一次up操作后，该信号量的值仍旧是0，但在其上睡眠的进程却少了一个。信号量的值增加1和唤醒一个进程同样也是不可分割的，不会有某个进程因执行up而阻塞，正如前面的模型中不会有进程因执行wakeup而阻塞一样。

在Dijkstra原来的论文中，他分别使用名称P和V而不是down和up，荷兰语中，Proberen的意思是尝试，Verhogen的含义是增加或升高。

从物理上说明信号量的P、V操作的含义。 P(S)表示申请一个资源，S.value>0表示有资源可用,其值为资源的数目；S.value=0表示无资源可用；S.value<0, 则|S.value|表示S等待队列中的进程个数。V(S)表示释放一个资源，信号量的初值应该大于等于0。P操作相当于“等待一个信号”，而V操作相当于“发送一个信号”，在实现同步过程中，V操作相当于发送一个信号说合作者已经完成了某项任务，在实现互斥过程中，V操作相当于发送一个信号说临界资源可用了。实际上，在实现互斥时，P、V操作相当于申请资源和释放资源。

该解决方案使用了三个信号量：一个称为full，用来记录充满缓冲槽数目，一个称为empty，记录空的缓冲槽总数；一个称为mutex，用来确保生产者和消费者不会同时访问缓冲区。full的初值为0，empty的初值为缓冲区中槽的数目，mutex的初值为1。供两个或多个进程使用的信号量，其初值为1，保证同时只有一个进程可以进入临界区，称作二元信号量。如果每个进程在进入临界区前都执行down操作，并在刚刚退出时执行一个up操作，就能够实现互斥。

在下面的例子中，我们实际上是通过两种不同的方式来使用信号量，两者之间的区别是很重要的，信号量mutex用于互斥，它用于保证任一时刻只有一个进程读写缓冲区和相关的变量。互斥是避免混乱所必需的操作。

例题：

items 就是full，记录满槽数目，初始值位0

slots 就是empty，就是缓冲区中槽的数目,初始值为10

mutex inital value = 0

那么insert function

P(slots);       //empty slot-1
P(mutex);		//进入临界区
insert_item
V(mutex);		//离开临界区
V(items);		//full slot+1

remove function

P(items);		//满槽数目-1
P(mutex);		
remove_item;
V(mutex);
V(slots);		//空槽数目+1

本例中，信号量保证缓冲区满的时候生产者停止运行，缓冲区空的时候消费者停止运行。

信号量用于同步

同步

一个进程执行某个请求，如果需要一段时间才能返回信息，那么进程会一直等待下去。也就是说直到收到返回信息才继续下去。

异步

进程不需要一直等待下去，继续执行下面的操作，不管其他进程的状态。

对于无界缓冲区问题，消费者只需关心缓冲区是否空即可

。