为什么具有单个生产者/消费者的生产者消费者队列不需要互斥锁？答案

【问题标题】：why does producer consumer queue with single producer/consumer doesn't need mutex?为什么具有单个生产者/消费者的生产者消费者队列不需要互斥锁？
【发布时间】：2019-05-18 22:59:59
【问题描述】：

一个生产者和一个消费者的生产者消费者队列的代码From wikipedia是：

semaphore fillCount = 0; // items produced
semaphore emptyCount = BUFFER_SIZE; // remaining space

procedure producer() 
{
    while (true) 
    {
        item = produceItem();
        down(emptyCount);
        putItemIntoBuffer(item);
        up(fillCount);
    }
}

procedure consumer() 
{
    while (true) 
    {
        down(fillCount);
        item = removeItemFromBuffer();
        up(emptyCount);
        consumeItem(item);
    }
}

上面写着

当只有一个生产者并且消费者。

当生产者/消费者较多时，伪代码相同，用互斥锁保护putItemIntoBuffer(item); 和removeItemFromBuffer(); 部分：

mutex buffer_mutex; // similar to "semaphore buffer_mutex = 1", but different (see notes below)
semaphore fillCount = 0;
semaphore emptyCount = BUFFER_SIZE;

procedure producer() 
{
    while (true) 
    {
        item = produceItem();
        down(emptyCount);
        down(buffer_mutex);
        putItemIntoBuffer(item);
        up(buffer_mutex);
        up(fillCount);
    }
}

procedure consumer() 
{
    while (true) 
    {
        down(fillCount);
        down(buffer_mutex);
        item = removeItemFromBuffer();
        up(buffer_mutex);
        up(emptyCount);
        consumeItem(item);
    }
}

我的问题是，为什么在单生产者单消费者情况下不需要互斥锁？

考虑以下几点：

队列中有 5 个项目，允许 10 个项目。
生产者产生一个项目，减少空信号量（并成功），然后开始将项目放入缓冲区，但未完成
消费者减少填充信号量，然后开始从缓冲区中删除项目
出乎意料。尝试从缓冲区 (3) 中删除项目，同时将项目放入缓冲区 (2)

为什么我描述的没有发生？

【问题讨论】：

标签： parallel-processing synchronization mutex semaphore producer-consumer

【解决方案1】：

因为这样的队列通常会被实现为循环队列。生产者将写入队列的尾部，而消费者从头部读取。它们不会同时访问相同的内存。

这里的想法是消费者和生产者都可以独立跟踪尾部/头部的位置。

考虑以下伪代码：

T data[BUFFER_SIZE];
int producerPtr = 0, consumerPtr = 0;

void putItemIntoBuffer(Item item)
{
     data[producerPtr] = item;
     producerPtr = (producerPtr  + 1) % BUFFER_SIZE;
}

Item removeItemFromBuffer(void)
{
     Item item = data[consumerPtr ];
     consumerPtr = (consumerPtr + 1) % BUFFER_SIZE;
     return item;
}

consumerPtr 和 producerPtr 只能在队列满或空时相等，在这种情况下，这些函数将不会被调用，因为执行进程将在信号量上保持阻塞。

你可以说信号量被用作一种消息传递机制，允许对方增加它的指针，同步这个。

现在，如果您在一侧有多个进程，则该侧将需要以原子方式执行增量和数据复制，因此需要互斥锁，但仅适用于具有多个进程的一侧，例如对于多生产者和多消费者队列，您可以使用 2 个单独的互斥锁来减少争用。

【讨论】：