Problém producenta a spotřebitele
Problém producenta a spotřebitele je jedním z klasických příkladů problémů programování souběžných procesů. Producent vyrábí určitá data a dává je do zásobníku o omezené velikosti. Spotřebitel je zase ze zásobníku odebírá. Producent nemůže přidávat data, pokud je zásobník plný, a spotřebitel nemůže odebírat data, pokud v zásobníku žádná data nejsou. Problém se řeší tak, že se producent uspí, jakmile se zásobník naplní, spotřebitel ho pak probudí, jakmile odebere data ze zásobníku. Stejně tak se postupuje u spotřebitele, když je zásobník prázdný. Při nevhodném řešení může nastat stav, kdy oba usnou a už se nikdy nevzbudí. Dojde tak k deadlocku.
Proč používat vzor producenta a spotřebitele
Vzor producenta a spotřebitele umožňuje lépe souběžně běžet cyklickým procesům, které pracují v různých rychlostech. Díky použití zásobníku jako úložného prostoru může producent vytvářet data nezávisle na rychlosti spotřebitele. Pokud je možnost tvorby dat rychlá, může producent tyto data vytvářet napřed a spotřebitel je pak bude zpracovávat ve svém vlastním tempu. Je to obzvláště vhodné například při komunikaci po síti, kdy fungují dva procesy v různých rychlostech. První proces může neustále přijímat pakety ze sítě, zatímco druhý přijaté pakety analyzuje. V tomto příkladě je první proces producentem a druhý spotřebitelem. S použitím zásobníku mohou být pakety přijaté rychleji, než jsou analyzovány. Komunikace je tak velmi efektivní a minimalizuje ztrátu dat.
Zde je ukázka kódu, ve kterém může dojít k deadlocku:
int pocetPolozek = 0;
producent() {
while (true) {
polozka = vytvoritPolozku();
if (pocetPolozek == VEL_ZASOBNIKU) {
spat();
}
vlozPolozkuDoZasobniku(polozka);
pocetPolozek = pocetPolozek + 1;
if (pocetPolozek == 1) {
vzbudit(spotrebitel);
}
}
}
spotrebitel() {
while (true) {
if (pocetPolozek == 0) {
spat();
}
polozka = vyjmoutPolozkuZeZasobniku();
pocetPolozek = pocetPolozek – 1;
if (pocetPolozek == VEL_ZASOBNIKU - 1) {
vzbudit(producent);
}
spotrebujPolozku(polozka);
}
}
Za běžných okolností nedojde k žádnému problému. Rozběhnou se oba procesy, spotřebitel, pokud je počet položek nulový, usne. Když běží producent a zásobník není plný, vloží do něj položku, a probudí spotřebitele. A tak vše běží dál.
Problém nastává v této situaci: spotřebitel zjistí, že v zásobníku nejsou žádné položky. Chystá se usnout. Pokud se v tu chvíli ale dostane na řadu producent, který přidá položku a zavolá signál probuzení spotřebitele, spotřebitel ji nepřijme, protože ještě nespí. Pak usne, po krátké době producent naplní zásobník a usne také. Nikdy se však už ani jeden neprobudí.
Problém se dá vyřešit pomocí semaforů. Semafor je speciální celočíselný datový typ, asociovaný se dvěma funkcemi:
- signal() – jeho zavoláním se celočíselná hodnota semaforu zvedne o 1, nahrazuje volání funkce vzbudit()
- cekat() – zavolani funkce cekat() sníží hodnotu semaforu o 1; pokud je hodnota semaforu již před zavoláním 0, nahrazuje toto volání funkci spát(), dokud někdo nezavolá signal() a nezvýší tím hodnotu semaforu o 1
Obě funkce signal() a cekat() jsou nedělitelné atomické operace. Použitím semaforu nahradíme proměnnou pocetPolozek. Zde je kód, který problém řeší vhodným způsobem:
int volne = VEL_ZASOBNIKU; // semafor, počet volných slotů v zásobníku int obsazene = 0; // semafor, počet obsazených slotů v zásobníku
producent() {
while (TRUE) {
polozka = vytvoritPolozku();
cekat(volne);
vlozPolozkuDoZasobniku(polozka);
signal(obsazene);
}
}
spotrebitel() {
while (TRUE) {
cekat(obsazene);
polozka = vyjmoutPolozkuZeZasobniku();
signal(volne);
spotrebujPolozku(polozka);
}
}
Celočíselné semafory zde vlastně fungují jako zásobníky volání na probuzení, takže se žádný z nich neztratí.