这个生产者-消费者实现中是否存在竞争条件？

Question

在操作系统概念（Silberschatz，第 9 版）的第 3.4.1 节中，作者提出了生产者-消费者问题并给出了以下使用循环缓冲区的实现（第 125、126 页）。

//Shared variables

#define BUFFER SIZE 10
struct Item;
Item buffer[BUFFER SIZE];
int in = 0, out = 0;

//buffer is empty when  in == out
//buffer is full when   (in + 1) % BUFFER SIZE == out

//Producer
while (true)
{
    Item next_produced = /*produce item here*/;

    while (((in + 1) % BUFFER SIZE) == out) ; //do nothing

    buffer[in] = next_produced;
    in = (in + 1) % BUFFER SIZE;
}

//Consumer
while (true)
{   
    while (in == out) ;  //do nothing

    Item next_consumed = buffer[out];
    out = (out + 1) % BUFFER SIZE;

    //consume the item in next_consumed here
}

书上说：

One issue this illustration does not address concerns the situation in which both the producer process and the consumer process attempt to access the shared buffer concurrently.

我没有看到生产者和消费者会同时访问相同缓冲区元素的情况。

我的问题是：如果生产者和消费者运行在两个线程中，这个实现中是否存在竞争条件或其他同步问题？

Answer 1

有很多可能性

最明显的：如果有2个producer在生产数据。假设缓冲区中只有 1 个空闲 space，两个生产者线程都可以通过 while (in + 1) % BUFFER SIZE) == out 并尝试放入缓冲区。这可能会导致缓冲区损坏或数据丢失
即使只有1个消费者和1个生产者，仍然存在一些不太明显的问题。例如，编译器可能会重新排列行
```
buffer[in] = next_produced;
in = (in + 1) % BUFFER SIZE;
```
使 in 的更新早于 buffer 的更新发生，这会导致消费者访问未初始化的数据。

Answer 2

无法保证在修改 in 或 out

之前会看到对 buffer[x] 的写入

所以假设只有一个 reader 和一个编写器，那么 in、out 变量分别在一个线程中被修改。

buffer[in] = next_produced;
in = (in + 1) % BUFFER SIZE;

可以在reader中看到mis-ordered，导致reader在移动中看到，但是buffer[in]

的旧值

Item next_consumed = buffer[out];
out = (out + 1) % BUFFER SIZE;

可能被编译器或处理器排序错误，允许生产者在 next_consumed 读取值之前写入完整队列覆盖 buffer[out] 的值。

这个生产者-消费者实现中是否存在竞争条件？

Are there race conditions in this producer-consumer implementation?

c

multithreading

producer-consumer