생산자 소비자 문제

생산자-소비자 문제(producer-consumer problem)는 여러 개의 프로세스를 어떻게 동기화할 것인가에 관한 고전적인 문제이다. 한정 버퍼 문제(bounded-buffer problem)라고도 한다.

유한한 개수의 물건(데이터)을 임시로 보관하는 보관함(버퍼)에 여러 명의 생산자들과 소비자들이 접근한다. 생산자는 물건이 하나 만들어지면 그 공간에 저장한다. 이때 저장할 공간이 없는 문제가 발생할 수 있다. 소비자는 물건이 필요할 때 보관함에서 물건을 하나 가져온다. 이 때는 소비할 물건이 없는 문제가 발생할 수 있다.

이 문제를 해결하는 것을 생산자-소비자 협동이라 하며, 버퍼가 동기화되어 정상적으로 동작하는 상태를 뜻한다. 문제를 해결하기 위해 세마포어를 활용할 수 있다.

방법 1

변수

• Empty : 버퍼 내에 저장할 공간이 있는지를 나타낸다. (초기값은 n)
• Full : 버퍼 내에 소비할 아이템이 있는지를 나타낸다. (초기값은 0)
• Mutex : 버퍼에 대한 접근을 통제한다. (초기값은 1)

생산자 프로세스

do {
    ...
    // 아이템을 생산한다.
    ...
    wait(empty);  // 버퍼에 빈 공간이 생길 때까지 기다린다.
    wait(mutex); // 임계 구역에 진입할 수 있을 때까지 기다린다.
    ...
    // 아이템을 버퍼에 추가한다.
    ...
    signal(mutex); //임계 구역을 빠져나왔다고 알려준다.
    signal(full);  //버퍼에 아이템이 있다고 알려준다.
} while (1);

소비자 프로세스

do {
    wait(full);    // 버퍼에 아이템이 생길 때까지 기다린다.
    wait(mutex);
    ...
    // 버퍼로부터 아이템을 가져온다.
    ...
    signal(mutex);
    signal(empty); // 버퍼에 빈 공간이 생겼다고 알려준다.
    ...
    // 아이템을 소비한다.
    ...
} while (1);

방법 2 - 모니터

monitor ProducerConsumer {
    int itemCount = 0;
    condition full;
    condition empty;

    procedure add(item) {
        if (itemCount == BUFFER_SIZE) {
            wait(full); // 버퍼에 빈 공간이 생길 때까지 기다린다.
        }

        putItemIntoBuffer(item);
        itemCount = itemCount + 1;

        if (itemCount == 1) {
            notify(empty);
        }
    }

    procedure remove() {
        if (itemCount == 0) {
            wait(empty); // 버퍼에 아이템이 생길 때까지 기다린다.
        }

        item = removeItemFromBuffer();
        itemCount = itemCount - 1;

        if (itemCount == BUFFER_SIZE - 1) {
            notify(full);
        }

        return item;
    }
}

procedure producer() {
    while (true) {
        item = produceItem();
        ProducerConsumer.add(item);
    }
}

procedure consumer() {
    while (true) {
        item = ProducerConsumer.remove();
        consumeItem(item);
    }
}