2.3.8【2014 统考真题】

好的，我们来详细解析这道2014年的考研真题。这道题是“生产者-消费者”问题的经典升级版，它在标准模型的基础上增加了一个非常有趣的“批量处理”或“分组消费”的约束，考察了对多层次同步与互斥关系的理解。

第一步：重述题目原文

【2014 统考真题】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）。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 P, V [或 wait(),signal()] 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。

第二步：知识体系是什么？

这道题的知识体系建立在经典的 “生产者-消费者模型” 之上，并引入了 “组互斥” 或 “批量操作” 的概念。

基础模型：生产者-消费者

角色：多个生产者，多个消费者。资源：一个大小为1000的环形缓冲区。基本同步关系：
生产者必须等待缓冲区有空位 (
empty) 才能生产。消费者必须等待缓冲区有产品 (
full) 才能消费。
基本互斥关系：
对环形缓冲区的指针（如
in,
out）和数据区的访问是临界操作，需要互斥锁 (
mutex) 保护。

核心变种：消费者之间的互斥

新约束：“一个消费者进程……连续取出10件产品后，其他消费者进程才可以取产品。”分析：这个约束引入了一种新的互斥关系。它不是针对所有进程（生产者和消费者）对缓冲区的微观操作（放一个/取一个），而是专门针对消费者群体内部的宏观操作（取一批）。解决方案：需要引入一个新的、独立的互斥信号量，专门用来控制“哪个消费者有权进行它这一批次的消费”。一旦一个消费者获得了这个权利，它就会持有这个锁，直到完成10次取货，然后再释放锁，让其他消费者来竞争。

第三步：解题套路是什么？

套路一：先搭标准框架，再加特殊约束

处理标准部分：

识别出典型的生产者-消费者场景，立即写下解决该问题的三个“标配”信号量：

empty：计空位数。
semaphore empty = 1000;
full：计产品数。
semaphore full = 0;
mutex (或
mutex_buf)：保护缓冲区的互斥锁。
semaphore mutex = 1;

处理特殊约束部分：

分析新约束：“消费者之间要互斥地进行‘取10个’这个动作”。为这个新的互斥关系增加一个信号量。我们可以叫它
mutex_consumer 或像王道答案那样叫
mutex2。
semaphore mutex2 = 1; // 用于实现消费者之间的互斥，保证一个消费者能连续取10个。

套路二：分层放置 P/V 操作

生产者进程：不受新规矩的影响，逻辑保持不变。


P(empty) ->
P(mutex) ->
put() ->
V(mutex) ->
V(full)

消费者进程：逻辑需要分层。

外层（策略层）：首先，一个消费者要抢到“本轮消费权”。

P(mutex2) // 抢占消费权
内层（操作层）：抢到权利后，循环10次，每次都执行一次标准的“取货”操作。

for (i=0; i<10; i++) { ... }在循环内部，每一次取货都要遵守最基本的同步和互斥规则：

P(full) // 等待有产品
P(mutex) // 锁住缓冲区 (注：王道答案此处有瑕疵，见下文分析)
get() // 取货
V(mutex) // 解锁缓冲区
V(empty) // 通知空位数+1

外层释放：10次循环结束后，归还“本轮消费权”。

V(mutex2) // 释放消费权

第四步：为什么是这样？（深度剖析与答案修正）

为什么需要两个Mutex？—— 职责分离


mutex (或
mutex1) 是一个操作锁 (Operation Lock)。它的职责是保护数据结构的完整性（比如
in/
out指针不被同时修改），作用范围小，锁定时间极短。
mutex2 是一个策略锁 (Policy Lock)。它的职责是实现题目提出的特殊业务逻辑（一次取10个），作用范围大，锁定时间长（贯穿10次取货）。混用一个锁是行不通的。如果消费者在循环外
P(mutex)，循环后
V(mutex)，那么在它取10个产品的漫长时间里，生产者将完全被阻塞，系统并发度极低，效率极差。

王道答案的瑕疵与更优的实现

王道答案中，
mutex1只在生产者中使用，消费者进程中完全没有使用
mutex1。这是一个严重的逻辑漏洞。生产者通过
mutex1保护对
in指针和缓冲区的写入，但消费者在没有加锁的情况下就读取
out指针和缓冲区，这会导致数据竞争 (Race Condition)。正确的做法是：所有访问共享缓冲区的进程（无论是生产者还是消费者）都应该使用同一个互斥锁来保护缓冲区。下面我将给出的标准答案会修正这个问题，使用一个
mutex_buf来被生产者和消费者共同遵守。

P操作的顺序：
P(mutex2) ->
for { P(full) ... }

这个顺序是符合逻辑的：先获得“批量处理”的许可，然后再开始处理每一件“物料”。如果反过来，在循环里
P(mutex2)，那就失去了“连续处理10个”的意义了。

第五步：考试怎么解决？（实战指南）

快速识别：读到“生产者”、“消费者”、“缓冲区”，立刻写下
empty,
full,
mutex 三件套的定义。定位关键词：找到题目的特殊要求，圈出“一个消费者”、“连续取出10件”、“其他消费者才可以”。分析关键词：“消费者”和“其他消费者”之间产生了互斥。这意味着需要一个专门给消费者用的锁。立刻定义
semaphore mutex_consumer = 1;。构建消费者逻辑：
画出外层框架：
P(mutex_consumer) …
V(mutex_consumer)。在框架内画出循环：
for i=0 to 9 { ... }。在循环内，填入标准的单次消费逻辑：
P(full),
P(mutex),
get,
V(mutex),
V(empty)。
构建生产者逻辑：确认生产者不受影响，写出标准代码。最终检查：通读一遍，确认两个
mutex的职责清晰，放置位置正确，没有死锁风险。

【完整标准答案 (修正版)】

1. 信号量定义及含义

资源信号量
empty:

含义: 记录环形缓冲区中空闲单元的数目。初值: 1000。

资源信号量
full:

含义: 记录环形缓冲区中已占用单元（产品）的数目。初值: 0。

互斥信号量
mutex_buf:

含义: 用于保证生产者和消费者进程对环形缓冲区的互斥访问。初值: 1。

互斥信号量
mutex_consumer:

含义: 用于保证任一时刻只有一个消费者进程可以从缓冲区取产品，实现“连续取10件”的策略。初值: 1。

2. 进程同步与互斥的伪代码实现

// 信号量及共享变量定义
semaphore empty = 1000;
semaphore full = 0;
semaphore mutex_buf = 1;        // 保护缓冲区的互斥锁
semaphore mutex_consumer = 1;   // 保证消费者连续取货的互斥锁
buffer buf[1000];               // 环形缓冲区
int in = 0, out = 0;            // 缓冲区头尾指针

cobegin {
    // 生产者进程
    process Producer_i {
        while(TRUE) {
            produce();              // 生产一件产品

            P(empty);               // 等待并获取一个空闲单元
            P(mutex_buf);           // 锁定缓冲区
            put an item into buf[in];
            in = (in + 1) % 1000;
            V(mutex_buf);           // 解锁缓冲区
            V(full);                // 通知产品数加一
        }
    }

    // 消费者进程
    process Consumer_j {
        while(TRUE) {
            P(mutex_consumer);          // 申请“本轮消费权”

            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                P(full);                // 等待并获取一件产品
                P(mutex_buf);           // 锁定缓冲区
                get an item from buf[out];
                out = (out + 1) % 1000;
                V(mutex_buf);           // 解锁缓冲区
                V(empty);               // 通知空闲单元数加一
            }

            V(mutex_consumer);          // 归还“本轮消费权”

            consume();              // 消费取出的10件产品
        }
    }
} coend