题目

系统中有多个生产者进程和多个消费者进程，共享一个能存放 1000 件产品的环形缓冲区（初始为空）。

约束：

• 缓冲区未满时，生产者进程可以放入其生产的一件产品；否则等待
• 缓冲区未空时，消费者进程可以从缓冲区取走一件产品；否则等待
• 要求一个消费者进程从缓冲区连续取出 10 件产品后，其他消费者进程才可以取产品

请使用信号量 P、V 操作实现进程间的互斥与同步，要求写出完整的过程，并说明所用信号量的含义和初值。

解析

关系拆解

标准生产者-消费者部分

约束	信号量	初值
缓冲区互斥	buffer_mutex	1
缓冲区空位	empty	1000
缓冲区已有产品数	full	0

本题特殊约束

"一个消费者连续取 10 件后，其他消费者才能取"

这相当于消费者之间对"取产品序列"的互斥——一旦某个消费者开始取，他要连续占用消费权 10 次，期间其他消费者不能插队。

需要新增 consumer_mutex 信号量：

• 消费者进入循环 10 次取产品之前 P(consumer_mutex)
• 取完 10 次之后 V(consumer_mutex)

信号量	初值	用途
consumer_mutex	1	"连续取 10 次"的消费者间互斥

信号量与代码

semaphore consumer_mutex = 1;     // 消费者间"连续取 10 次"互斥
semaphore buffer_mutex   = 1;     // 缓冲区单次访问互斥
semaphore empty          = 1000;  // 缓冲区空位数
semaphore full           = 0;     // 缓冲区产品数

Producer() {
    while (true) {
        生产产品;
        P(empty);                  // 等空位
        P(buffer_mutex);           // 占用缓冲区
        将产品放入缓冲区;
        V(buffer_mutex);           // 让出缓冲区
        V(full);                   // 通知消费者：又多一件
    }
}

Consumer() {
    while (true) {
        P(consumer_mutex);         // ★ 拿到"独占连续取 10 次"权限
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            P(full);               // 等有产品
            P(buffer_mutex);       // 占用缓冲区
            从缓冲区取出产品;
            V(buffer_mutex);       // 让出缓冲区
            V(empty);              // 通知生产者：多出空位
            消费产品;              // 消费可以放在临界区外
        }
        V(consumer_mutex);         // ★ 让出"连续取"权限
    }
}

信号量含义说明（答题必写）

信号量	初值	含义
consumer_mutex	1	消费者之间"连续取 10 件"的串行权
buffer_mutex	1	缓冲区单次操作互斥（生产者和消费者都用）
empty	1000	缓冲区空闲位数
full	0	缓冲区已有产品数

易错点

编者注（题面陷阱 + 关键技巧）：

1. empty 初值是 1000，不是 0——题目说缓冲区初始为空，所以"空位数 = 1000"，"产品数 = 0"。初值不要搞反：empty 跟"空"位数挂钩、初值 = 容量；full 跟"已有"件数挂钩、初值 = 0。

2. consumer_mutex 必须包在 for 循环外：

   • 正确：P(consumer_mutex); for (i=0; i<10) {取一件}; V(consumer_mutex); —— 消费者 A 取 10 件期间，B 一直在 P(consumer_mutex) 上阻塞
   • 错误：for (i=0; i<10) { P(consumer_mutex); 取; V(consumer_mutex); } —— 这样 A、B 会"轮流"取产品，每次只取 1 件，完全不满足"连续 10 件"

3. buffer_mutex 和 consumer_mutex 必须分开——两者作用不同：

   • buffer_mutex：保护缓冲区数据结构（环形队列指针），生产者和消费者都用，单次操作互斥
   • consumer_mutex：保护取产品的连续性，只有消费者用，10 次操作互斥

   用一个信号量同时管，要么连续 10 次会让生产者也卡住（无法生产），要么生产者能插队但消费者无法连续——两种坏处都有。

4. P(empty) 必须在 P(buffer_mutex) 之前——经典死锁规避（与 2009-45 同理）。如果反过来，生产者拿了 mutex 但 empty=0，会死锁。

5. 若题目改成"缓冲区至少有 10 件产品消费者才能开始取"——评分说明说这种理解给 6 分（不全对）。正确理解是"任何时候只要缓冲区非空消费者就能取，但取要连续 10 次才让出"。本题不是"等到 10 件齐了再取"。看清"连续取出"四个字。

6. 生产者之间不需要单独互斥信号量——buffer_mutex 已经管住了多生产者之间的冲突；不要再加 producer_mutex，否则降低并发度且评分会扣"未做到尽可能少"的分。