生产者消费者问题

1. 问题定义

某些进程生产数据，另一些进程消费数据，他们之间通过一个大小为N的先入先出队列来进行数据的传递。

当队列是满的时候，生产者阻塞，当队列是空的时候，消费者阻塞。

这种场景还是挺常见的，比如媒体流的处理。

2. PV原语

PV原语，这个概念的提出者是河南（荷兰）科学家Dijkstra，这位爷也提出了图的Dijkstra最短路径算法。原语的意思是atomic操作，就是无法分割，不可打断的操作。PV原语是用来操作信号量的，笼统的说，P操作减少信号量，V操作增加信号量，精确的说，请看伪代码：

procedure P(var s:samephore);{     s.value=s.value-1;     if (s.value<0) asleep(s.queue);}procedure V(var s:samephore);{     s.value=s.value+1;     if (s.value<=0) wakeup(s.queue);}

这里的s是信号量（samephore），s.queue是指s的阻塞进程队列，这也是一个先入先出队列。asleep(s.queue)意味着把本进程放入队列，wakeup(s.queue)意味着把位于队列头的一个进程唤醒，所谓唤醒，也就是放入操作系统的就绪队列。

3. 解决问题

生产者消费者问题的完美解决需要三个信号量：fullCount，emptyCount和useQueue。顾名思义，fullCount意味着队列中元素的个数，emptyCount意味着队列中空位的个数，useQueue意味着当前是不是有进程在访问队列。在跑起来的时候，emptyCount是会小于队列中空位的个数的，比如当很多生产者同时等待useQueue时；同理，fullCount也是会小于队列中元素的个数的，比如很多消费者同时等待useQueue时------好像东西还在你的仓库里，而你已经把它预售出去了一样。所以fullCount+emptyCount <= N，但是，当生产者进程和消费者进程都只有一个的情况下，fullCount+emptyCount == N。

注意，这里的useQueue是个取值为0或1的信号量，也叫互斥型信号量，即mutex。

初始化fullCount.value为0，emptyCount.value 为N，useQueue.value为1，那么：

produce:    P(emptyCount)    P(useQueue)    putItemIntoQueue(item)    V(useQueue)    V(fullCount)consume：    P(fullCount)    P(useQueue)    item ← getItemFromQueue()    V(useQueue)    V(emptyCount)

4. 例子

Android中AudioTrack和AudioFlinger的数据交换是个简化版的生产者消费者问题，说它简化，是因为首先生产者，消费者都只有一个，其次共享数据的只有一个Buffer，也就是说队列的N==1，每次生产者都努力把Buffer填满，消费者都努力把Buffer消费干净。

所以，仅仅需要一个useQueue就能满足需求了！

这个信号量在audio_track_cblk_t 中定义，这是一个环形Buffer，循环的写和读，顺便说一句，环形buffer关键就是记录要读和写的位置，根据这些，也可以得到buffer是空还是满。

在audio_track_cblk_t 中，有一个volatile int32_tmFutex, 这个是生产者消费者PV操作的关键，代码中注释是：event flag: down (P) by client, up (V) by server or binderDied() or interrupt()。 相应的PV操作是__futex_syscall4，类似于Wait，还有__futex_syscall3，类似于Signal。这俩实现了对进程的阻塞和唤醒。

在这个简化的模型中，AudioTrack是生产者，它每次都写满buffer，然后sleep，并wakeup消费者；AudioFlinger是消费者，它每次都读空buffer，然后sleep，并wakeup生产者。