生产者消费者仅使用1个额外的信号量

Question

Solution traditional to producer-consumer

在操作系统中，如您在上面的生产者消费者链接中所看到的，使用了两个信号量full和empty，为什么不可能仅使用一个数量的信号量fullEmpty。

我的意思是，我们有一个二进制信号量mutex和另一个信号量fullEmpty，最初是0，因为缓冲区中没有项目，所以为什么需要 2个信号灯（full，empty）？

唯一的事情是wait和signal的顺序需要更改，以便fullEmpty的更新在关键部分内。

有什么想法或理由吗？

Answer 1

说明中与您的答案相关的主要说明是“我们有固定大小的缓冲区。”

为了回答您的问题，我们首先假定缓冲区可以扩展以容纳所需的所有项目，换句话说，缓冲区可以增长到无限大小。在这种情况下，生产者和使用者之间唯一需要进行的同步（除了锁定互斥锁以确保您不会破坏关键部分中的项目），还要确保使用者仅在之后食用

制作人

do {
    //produce an item

    wait(mutex);

    //place in buffer

    signal(mutex);
    signal(full);

} while (true);

消费者

do {
    wait(full);
    wait(mutex);

    //remove item from buffer

    signal(mutex);

    //consume item

} while (true);

正如您在上面看到的，生产者总是能够将事物添加到队列中（除了持有互斥锁的时间），并且不需要等待使用者消耗任何东西，因为缓冲区永远不会填满，甚至如果消费者不消费物品。另一方面，在生产者生产商品之前，消费者无法消费任何东西。

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要回答您的问题，您需要关注以下语句：“我们有固定大小的缓冲区”。这改变了问题。由于缓冲区不再能够增长到无限大小，因此您需要让生产者在缓冲区已满时等待，然后他们才能向缓冲区添加更多内容。这就是为什么您需要第二个信号灯的原因。消费者不仅需要等待生产者，而且现在生产者也需要等待消费者。通过让生产者在仅消费者调用wait的信号量上调用signal，可以使生产者等待消费者。

您不能仅使用一个信号量来执行此操作，因为生产者必须等待的条件与消费者必须等待的条件不同。由于它们应该能够在不同的条件下递减并越过信号量，因此您不能对两者使用相同的信号量。

Answer 2

这是因为必须等待两个条件：队列为空，队列已满。但是经典信号量只允许您等待一种情况-等待信号量不为0。

您可以使用单个同步对象解决此问题，但是该对象需要比信号量更完整的功能。 “有界信号量”-具有最大值的信号量就足够了，因为它可以让您阻止等待两种情况。

如何获得另一个问题：

• 您可以使用互斥锁和条件变量来构建一个。
• Window's semaphore已经具有此功能。
• 您可以在Linux（请参阅FUTEX_WAIT，FUTEX_WAKE）上使用futex或在其他操作系统上使用等效命令：在FreeBSD上请使用_umtx_op（请参阅UMTX_OP_WAIT，{ {1}}），在Windows 8和更高版本上使用WaitOnAddress，WakeByAddressSingle / WakeByAddressAll。

我建议您熟悉UMTX_OP_WAKE接口-与常规接口相比，它可以构建更强大，更高效的同步对象。今天，大多数操作系统都提供了等效的接口，甚至C ++将来都可能引入类似的内容（请参见std::synchronic<T>）。

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一些注意事项：

Linux具有eventfd，当使用futex标志创建时，Linux可以充当信号灯，但是它的最大值为EFD_SEMAPHORE，并且不能更改。也许有一天这个系统调用也将扩展为支持最大值。