经典生产者与消费者问题（线程的同步与互斥）

时间：2022-04-21 16:42:11

在线程世界里，生产者就是生产数据的线程，消费者就是消费数据的线程。在多线程开发当中，如果生产者处理速度很快，而消费者处理速度很慢，那么生产者就必须等待消费者处理完，才能继续生产数据。同样的道理，如果消费者的处理能力大于生产者，那么消费者就必须等待生产者。为了解决这个问题于是引入了生产者和消费者模式。
互斥：保证一个资源只能被一个进程使用。
首先，解释“321”：
1、一个交易场所（缓冲区，类似于超市）
2、两种角色：生产者（生产数据）与消费者（消费数据）
3、三种关系：生产者与生产者互斥
消费者与消费者互斥
生产者与消费者同步与互斥
在未做任何处理之前让生产者生产数据，消费者消费数据，就会出现以下问题：
经典生产者与消费者问题（线程的同步与互斥）
参考代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<assert.h>
#include<pthread.h>
typedef struct Node
{
  int _data;
  struct Node *next;
}node,*pnode,**ppnode;
pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pnode phead=NULL;
pnode alloc(int data)
{
  pnode temp=(pnode)malloc(sizeof(node));
if(temp==NULL)
return NULL;
  temp->_data=data;
  temp->next=NULL;
return temp;
}
void initList(ppnode phead)
{
*phead=alloc(0);
}
void pushList(pnode phead,int data)
{
    pnode _p=alloc(data);
    _p->next=phead->next;
    phead->next=_p;
}
int  popList(pnode phead)
{

if(phead->next==NULL)
   {
return -1;
   }
else
   {
   pnode temp=phead->next;
   int data=temp->_data;
   phead->next=temp->next;
   free(temp);
return data;
   temp=NULL;
   }
return 0;
}
void destroyList(pnode phead)
{
while(phead->next)
  {
    pnode temp=phead->next;
    phead->next=temp->next;
    free(temp);
  }
}
void showList(pnode phead)
{
  pnode temp=phead->next;
while(temp)
  {
    printf("%d",temp->_data);
    temp=temp->next;
  }
  printf("\n");
}
void* producter(void* arg)
{
  int data=0;
while(1)
  {
   sleep(1);
data=rand()%100;
   pushList(phead,data);
   printf("producter:%d\n",data);
  }
return (void*)0;
}
void* consumer(void* arg)
{                                                                   
  int data=0;
while(1)
  {
      sleep(2);
if(data=popList(phead))
    {
      printf("consumer:%d\n",data);
    }
  }
return (void*)0;
}
int main()
{
    initList(&phead);
/*pushList(phead,1);
 pushList(phead,2);
 pushList(phead,3);
 pushList(phead,4);
 showList(phead);
 popList(phead);
 showList(phead);*/
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_create(&tid1,NULL,producter,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,consumer,NULL);
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    destroyList(phead);
return 0;
}

运行结果：
经典生产者与消费者问题（线程的同步与互斥）
经典生产者与消费者问题（线程的同步与互斥）
为了保证原子性访问临界资源，故引入加互斥锁。
参考代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<assert.h>
#include<pthread.h>
typedef struct Node
{
  int _data;
  struct Node *next;
}node,*pnode,**ppnode;
pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pnode phead=NULL;
pnode alloc(int data)
{
  pnode temp=(pnode)malloc(sizeof(node));
if(temp==NULL)
return NULL;
  temp->_data=data;
  temp->next=NULL;
return temp;
}
void initList(ppnode phead)
{
*phead=alloc(0);
}
void pushList(pnode phead,int data)
{
    pnode _p=alloc(data);
    _p->next=phead->next;
    phead->next=_p;
}
int  popList(pnode phead)
{

if(phead->next==NULL)
   {
return -1;
   }
else
   {
   pnode temp=phead->next;
   int data=temp->_data;
   phead->next=temp->next;
   free(temp);
return data;
   temp=NULL;
   }
return 0;
}
void destroyList(pnode phead)
{
while(phead->next)
  {
    pnode temp=phead->next;
    phead->next=temp->next;
    free(temp);
  }
}
void showList(pnode phead)
{
  pnode temp=phead->next;
while(temp)
  {
    printf("%d",temp->_data);
    temp=temp->next;
  }
  printf("\n");
}
void* producter(void* arg)
{
  int data=0;
while(1)
  {
   sleep(1);
   pthread_mutex_lock(&lock);
data=rand()%100;
   pushList(phead,data);
   printf("producter:%d\n",data);
   pthread_mutex_unlock(&lock);
  }
return (void*)0;
}
void* consumer(void* arg)
{                                                                   
  int data=0;
while(1)
  {
      sleep(2);
    pthread_mutex_lock(&lock);
if(data=popList(phead))
    {
      printf("consumer:%d\n",data);
      pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
  }
return (void*)0;
}
int main()
{
    initList(&phead);
/*pushList(phead,1);
 pushList(phead,2);
 pushList(phead,3);
 pushList(phead,4);
 showList(phead);
 popList(phead);
 showList(phead);*/
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_create(&tid1,NULL,producter,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,consumer,NULL);
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    destroyList(phead);
return 0;
}

运行结果：
经典生产者与消费者问题（线程的同步与互斥）
但互斥锁只能解决互斥问题，保证原子性操作，还是不能解决同步问题，故引入条件变量（Condition Variable ）。
参考代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<assert.h>
#include<pthread.h>
typedef struct Node
{
  int _data;
  struct Node *next;
}node,*pnode,**ppnode;
pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pnode phead=NULL;
pnode alloc(int data)
{
  pnode temp=(pnode)malloc(sizeof(node));
if(temp==NULL)
return NULL;
  temp->_data=data;
  temp->next=NULL;
return temp;
}
void initList(ppnode phead)
{
*phead=alloc(0);
}
void pushList(pnode phead,int data)
{
    pnode _p=alloc(data);
    _p->next=phead->next;
    phead->next=_p;
}
int  popList(pnode phead)
{

if(phead->next==NULL)
   {
return -1;
   }
else
   {
   pnode temp=phead->next;
   int data=temp->_data;
   phead->next=temp->next;
   free(temp);
return data;
   temp=NULL;
   }
return 0;
}
void destroyList(pnode phead)
{
while(phead->next)
  {
    pnode temp=phead->next;
    phead->next=temp->next;
    free(temp);
  }
}
void showList(pnode phead)
{
  pnode temp=phead->next;
while(temp)
  {
    printf("%d",temp->_data);
    temp=temp->next;
  }
  printf("\n");
}
void* producter(void* arg)
{
  int data=0;
while(1)
  {
   sleep(2);
   pthread_mutex_lock(&lock);
data=rand()%100;
   pushList(phead,data);
   printf("producter:%d\n",data);
   pthread_cond_signal(&cond);
   printf("data has been producted!\n ");
   pthread_mutex_unlock(&lock);
  }
return (void*)0;
}
void* consumer(void* arg)
{                                                                   
  int data=0;
while(1)
  {
      sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&lock);
while(phead->next==NULL)
    {
      printf("No data is producted!\n");
      pthread_cond_wait(&cond,&lock);
    }
data=popList(phead);  
      printf("consumer:%d\n",data);
      pthread_mutex_unlock(&lock);
  }
return (void*)0;
}
int main()
{
    initList(&phead);
/*pushList(phead,1);
 pushList(phead,2);
 pushList(phead,3);
 pushList(phead,4);
 showList(phead);
 popList(phead);
 showList(phead);*/
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_create(&tid1,NULL,producter,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,consumer,NULL);
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    destroyList(phead);
return 0;
}

运行结果：
经典生产者与消费者问题（线程的同步与互斥）
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