🧠 背景：為什么會有 PV？

類比：內存（生產者） 和 CPU（消費者）

• 內存 / IO / 磁盤 / 網絡下載 → 不斷“生產數據”

  • 例如：讀取文件、下載視頻、從數據庫加載信息

• CPU → 負責“消費數據”

  • 例如：處理數據、解碼、渲染畫面、計算結果

👉 由于生產和消費速度可能存在差異（如內存大、CPU處理慢），需要一個緩沖區（如緩存、隊列）進行協調。

🔧 三個基本模板

1. 信號量

• 定義：表示當前可用資源的個數。

2. 同步：控制先后順序

• 核心：信號量初始設為 0；V 操作釋放信號量，進程 B 才能有資源繼續執行。

• 問題：如果信號量初始值為 0，進程 A 和進程 B 都會被阻塞嗎？

  • 回答：是的，這樣可以保證進程 A 和 B 的先后順序。

3. 互斥：保證一個進程對資源的訪問

• 核心：使用 P 和 V 操作夾住臨界區（臨界資源存放點）。

進程A；                 mutex=1
P（互斥信號量）；        mutex--;   0；
臨界區；                
V（互斥信號量）          mutex++;   1;進程B；               
P（互斥信號量）；      
臨界區；                
V（互斥信號量）       

🏭 生產者-消費者模型

? full 是什么意思？

• 定義：在生產者-消費者模型中，full 是一個信號量，用來表示當前緩沖區中“已經存了多少個產品”，也可以理解為“可供消費者消費的數據數量”。

? mutex 是什么？

• 定義：mutex 是 mutual exclusion（互斥）的縮寫，表示一次只允許一個線程/進程訪問共享資源。用于保護臨界區。

🔄 同步與互斥關系

同步關系

1. 生產者先生產出一個產品 → V(full)，消費者才能消費一個產品 → P(full)。

2. 消費者從緩沖區取來產品 → V(empty)，釋放一個空位，生產者才能繼續生產 → P(empty)。

互斥關系

• 使用 P(mutex) 加鎖緩沖區，V(mutex) 釋放緩沖區，確保緩沖區的互斥訪問。

? 常見問題解答

問題：緩沖區初始為空，empty = n（如 10 個空位），為什么還需要等待消費者“消費”后產生空位？不是一開始就很多空位了嗎？

• 答案：

  • ? 一開始當然不需要等消費者，可以直接放數據進去！

  • 🛑 但如果生產得太快，把緩沖區塞滿了（empty == 0），就必須等消費者先消費一個產品（釋放一個空位）才能繼續生產。

🧑?💻 生產者代碼解釋

1. 生產：在自己線程內處理好數據（不影響別人）。

2. P(empty)：檢查是否有空位（資源控制）。

3. P(mutex)：進入緩沖區前加鎖（互斥控制）。

4. 放入緩沖區。

5. V(mutex)：解鎖。

6. V(full)：通知消費者“有東西可以用了”。

👩?💻 消費者代碼解釋

1. P(full)：等待是否有產品可取。

2. P(mutex)：加鎖，準備訪問緩沖區。

3. 取產品：真正的“消費”動作。

4. V(mutex)：解鎖。

5. V(empty)：通知生產者釋放了一個空位。

6. 消費：轉到自己的線程輸出數據。

讀者-寫者（互斥）

📖 讀者-寫者問題（互斥）

問題：為什么 mutex 需要夾住 count，不是允許多個讀者同時讀嗎？

• 回答：是的，多個讀者可以同時讀，但是 count 是一個“全局變量”，多個線程同時修改它會出問題，所以必須用 mutex 來保護它！

🔄 同步與互斥關系

同步關系

• 讀者讀完后，解鎖并將 count--。當 count 為 0 時，表示最后一個讀者離開，此時寫者可以開始寫。

• 簡單來說：第一個讀者來關寫者的門，最后一個讀者來開寫者的門。

互斥關系：

互斥關系

• count 的初始值為 0，表示沒有讀者在讀。

• 如果有寫者正在寫，rw = 0，讀者會被阻塞，等待寫者寫完。

• 如果沒有寫者寫，rw = 1，第一個讀者執行 P(rw)，然后繼續執行。

? 常見問題解答

問題：如果第一個讀者還沒執行到 V(mutex)，第二個讀者就進來了，會怎么樣？第二個還能繼續嗎？

• 答案：

  • ? 第二個讀者進不來，它會被阻塞在 P(mutex) 這里，直到第一個讀者執行 V(mutex)，它才能繼續往下執行。

  • ? 雖然讀者可以“同時讀”，但它們更新計數器 count 時一定是串行的、有序的、安全的！

相對寫優先（有限）

設置P(w)V(w)：

1：當讀進程先來時候，執行P(W)，W=0，寫進程堵塞，只有當讀進程釋放了，寫進程才能進來。

2：當寫進程先來時候，執行P(W)，W=0，讀進程堵塞，只有當寫進程釋放了，讀進程才能進來。

哲學家用餐（都會有幾率導致死鎖）

限制n-1哲學家就餐

使用信號量（semaphore count=4）限制同時就餐的哲學家數量為4個，理論上想避免所有5個哲學家同時拿筷子。但如果4個哲學家分別拿了一根筷子（例如，0號拿0筷子，1號拿1筷子，依此類推），第5個哲學家無法進入就餐，而已進入的4個哲學家仍在等待另一根筷子，依然會死鎖。

僅當左右筷子可用時候，才會吃飯。

使用mutex緊緊夾住拿筷子的動作

每個哲學家都先試圖拿左筷子（P(chopsticks[i])），再拿右筷子（P(chopsticks[(i+1)%5])）。如果所有哲學家同時拿左筷子，就會形成循環等待（每個人都拿著一根筷子，等待另一根），導致死鎖。

奇數號先拿左筷子。偶數號拿右筷子

哲學家編號為：1 ~ 5，筷子編號也為 1 ~ 5

每位哲學家要吃飯，必須拿 左手邊和右手邊的筷子：

• 哲學家 i 的左手筷子編號：i

• 哲學家 i 的右手筷子編號： (i % 5) + 1

這里試圖通過讓一個哲學家（if(i%2==0)）先拿左筷子，其他人先拿右筷子來打破對稱性。但如果所有哲學家同時進入循環，依然可能出現循環等待。例如，編號為偶數的哲學家拿左筷子，編號為奇數的拿右筷子，最終還是會形成死鎖。

ChatGPT鏈接：https://chatgpt.com/share/680274c9-faec-800c-8a90-253e36512386