C語言生產者消費者問題：P/V 信號量同步互斥完整模型與程式碼骨架

問題模型

• 共享資源：有限緩衝區 (環狀陣列)。
• 同步條件：生產者滿等待、消費者空等待。
• 互斥條件：同一時間只能有一個執行緒存取緩衝區。

三個信號量

• empty = N：空槽位數 (生產者 P(empty)、V(empty))。
• full = 0：產品數 (消費者 P(full)、V(full))。
• mutex = 1：互斥鎖 (雙方 P(mutex) 進入臨界區、V(mutex) 離開)。

標準偽碼 (Dijkstra 風格)

// 全域
semaphore empty = N, full = 0, mutex = 1;
item buffer[N];
int in = 0, out = 0;

producer() {
    while (1) {
        item next = produce();
        P(empty);          // 等待空槽
        P(mutex);          // 進入臨界區
        buffer[in] = next;
        in = (in + 1) % N;
        V(mutex);          // 離開臨界區
        V(full);           // 通知有產品
    }
}

consumer() {
    while (1) {
        P(full);           // 等待產品
        P(mutex);          // 進入臨界區
        item next = buffer[out];
        out = (out + 1) % N;
        V(mutex);          // 離開臨界區
        V(empty);          // 通知有空槽
        consume(next);
    }
}

C 語言 POSIX 執行緒實作骨架 (Linux/macOS)

#include 
#include 
#include 

#define N 10
int buffer[N], in = 0, out = 0;
sem_t empty, full, mutex;

void *producer(void *arg) {
    while (1) {
        int item = rand() % 100;
        sem_wait(&empty);
        sem_wait(&mutex);
        buffer[in] = item;
        in = (in + 1) % N;
        sem_post(&mutex);
        sem_post(&full);
        sleep(1);
    }
}

void *consumer(void *arg) {
    while (1) {
        sem_wait(&full);
        sem_wait(&mutex);
        int item = buffer[out];
        out = (out + 1) % N;
        sem_post(&mutex);
        sem_post(&empty);
        printf("消費: %d\n", item);
        sleep(2);
    }
}

int main() {
    sem_init(&empty, 0, N);
    sem_init(&full, 0, 0);
    sem_init(&mutex, 0, 1);
    pthread_t p1, p2, c1;
    pthread_create(&p1, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&p2, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&c1, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join(p1, NULL); // 永不返回
    return 0;
}

編譯：gcc pc.c -lpthread -o pc

Windows API 版本

• 信號量：CreateSemaphore, WaitForSingleObject, ReleaseSemaphore。
• 互斥：CreateMutex, WaitForSingleObject, ReleaseMutex。
• 執行緒：CreateThread / _beginthreadex。

關鍵驗證點

1. 死鎖自由：P(empty) 在 P(mutex) 之前，避免滿緩衝區時生產者持有鎖等待空槽。
2. 訊號正確性：生產者 V(full)、消費者 V(empty) 方向相反。
3. 緩衝區索引環狀更新：(index + 1) % N。