經典併發模型：生產者-消費者問題深度解析（上）

問題定義與核心約束

生產者-消費者問題 是進程同步與進程間通信（IPC）的教科書級案例。場景：

• 共享有限緩衝區（容量 C），存放產品
• 生產者 持續生產並放入緩衝區，滿時阻塞等待
• 消費者 持續從緩衝區取走產品，空時阻塞等待
• 要求：互斥訪問緩衝區、同步生產/消費節奏

知識體系整合

該問題綜合運用了進程管理的所有核心機制：

邏輯偽代碼

/* 共享變量 */
int count = 0;          // 當前產品數
sem_t mutex = 1;        // 互斥信號量（二值）
sem_t empty = C;        // 空槽位計數
sem_t full = 0;         // 滿產品計數

/* 生產者 */
void producer() {
    while (true) {
        produce_item();           // 生產耗時操作（關鍵區外）
        sem_wait(&empty);         // 等待空槽
        sem_wait(&mutex);         // 進入臨界區
        put_item_into_buffer();   // 放入緩衝區
        count++;
        sem_post(&mutex);         // 退出臨界區
        sem_post(&full);          // 通知有產品
    }
}

/* 消費者 */
void consumer() {
    while (true) {
        sem_wait(&full);          // 等待產品
        sem_wait(&mutex);         // 進入臨界區
        take_item_from_buffer();  // 取出產品
        count--;
        sem_post(&mutex);         // 退出臨界區
        sem_post(&empty);         // 通知有空槽
        consume_item();           // 消費耗時操作（關鍵區外）
    }
}

關鍵設計點

1. 雙重信號量協調：`empty`/`full` 追蹤資源狀態，`mutex` 保護緩衝區完整性
2. 關鍵區最小化：耗時的生產/消費動作放在鎖外，提高併發度
3. P/V 操作順序：先申請資源信號量再申請互斥鎖，避免死鎖（若反序，滿/空時持有 mutex 導致對方無法進入釋放資源）

下篇將展示基於共享內存 + System V 信號量的完整 C 實現與運行演示。