浅谈生产者消费者模型(Linux系统下的两种实现方法)

生产者消费者问题是同步问题中的一种常见情况，借用一下*的话

生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

第一种实现信号量配合互斥锁实现，这种方法很清晰简单

信号量：

信号量的特性如下：信号量是一个非负整数（车位数），所有通过它的线程/进程（车辆）都会将该整数减一（通过它当然是为了使用资源），当该整数值为零时，所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号量上我们定义两种操作： Wait（等待） 和 Release（释放）。当一个线程调用Wait操作时，它要么得到资源然后将信号量减一，要么一直等下去（指放入阻塞队列），直到信号量大于等于一时。Release（释放）实际上是在信号量上执行加操作，对应于车辆离开停车场，该操作之所以叫做“释放”是因为释放了由信号量守护的资源。

wait, release在Linux下

int sem_wait(sem_t * sem);
int sem_post(sem_t * sem);

设定两个信号量，empty用来表示空槽的个数，full用来表示占有的个数

生产者在向任务队列里放资源时，调用sem_wait(&full)来检查队列是否已满，如果满的话，就阻塞，直到有消费者从里面取资源再苏醒，如果不满，就放资源，并通知消费者来取。

消费者在从任务队列里取资源时，调用sem_wait(&empty)来检查队列是否为空，如果空的话，就阻塞，直到有生产者向里面放资源再苏醒，如果不空，就取资源，并通知生产者来放。

而互斥锁仅仅是为了防止多个线程同时对队列进行操作，造成未知的结果。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define MAX 5 //队列长度

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
sem_t full;     //填充的个数
sem_t empty;    //空槽的个数

int top = 0;   //队尾
int bottom = 0; //队头

void* produce(void* arg)
{
    int i;
    for ( i = 0; i < MAX*2; i++)
    {
        printf("producer is preparing data\n");
        sem_wait(&empty);//若空槽个数低于0阻塞

        pthread_mutex_lock(&mutex);

        top = (top+1) % MAX;
        printf("now top is %d\n", top);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        sem_post(&full);
    }
    return (void*)1;
}

void* consume(void* arg)
{
    int i;
    for ( i = 0; i < MAX*2; i++)
    {
        printf("consumer is preparing data\n");
        sem_wait(&full);//若填充个数低于0阻塞

        pthread_mutex_lock(&mutex);

        bottom = (bottom+1) % MAX;
        printf("now bottom is %d\n", bottom);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        sem_post(&empty);
    }

    return (void*)2;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t thid1;
    pthread_t thid2;
    pthread_t thid3;
    pthread_t thid4;

    int ret1;
    int ret2;
    int ret3;
    int ret4;

    sem_init(&full, 0, 0);
    sem_init(&empty, 0, MAX);

    pthread_create(&thid1, NULL, produce, NULL);
    pthread_create(&thid2, NULL, consume, NULL);
    pthread_create(&thid3, NULL, produce, NULL);
    pthread_create(&thid4, NULL, consume, NULL);

    pthread_join(thid1, (void**)&ret1);
    pthread_join(thid2, (void**)&ret2);
    pthread_join(thid3, (void**)&ret3);
    pthread_join(thid4, (void**)&ret4);

    return 0;
}

注：如果把sem_wait()和sem_post()放到pthread_mutex_lock()与pthread_mutex_unlock()之间会如何呢？

答案是：死锁，因为我们不能预知线程进入共享区顺序，如果消费者线程先对mutex加锁，并进入，sem_wait()发现队列为空，阻塞，而生产者在对mutex加锁时，发现已上锁也阻塞，双方永远无法唤醒对方。

第二种是条件变量配合互斥锁实现

条件变量的常见用法是在不满足某些条件时，阻塞自己，直到有线程通知自己醒来。

而互斥量在这里的作用依然还是防止多线程对共享资源同时操作，造成未知结果。

生产者消费者的行为与之前相同，只不过原来只调用sem_wait()可以完成两步，1是检查条件，2是阻塞，现在条件变量需要我们自己来设定条件(所以说条件变量配合互斥锁比信号量的功能更强大，因为它可以自定义休眠条件，但是这对使用者的要求也提高了，必须理清逻辑关系避免死锁)

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

#define MAX 5

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t notfull = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  //是否队满
pthread_cond_t notempty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;     //是否队空

int top = 0;
int bottom = 0;

void* produce(void* arg)
{
    int i;
    for ( i = 0; i < MAX*2; i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while ((top+1)%MAX == bottom)
        {
            printf("full! producer is waiting\n");
            pthread_cond_wait(¬full, &mutex);//等待队不满
        }

        top = (top+1) % MAX;
        printf("now top is %d\n", top);
        pthread_cond_signal(¬empty);//发出队非空的消息

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return (void*)1;
}

void* consume(void* arg)
{
    int i;
    for ( i = 0; i < MAX*2; i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while ( top%MAX == bottom)
        {
            printf("empty! consumer is waiting\n");
            pthread_cond_wait(¬empty, &mutex);//等待队不空
        }
        bottom = (bottom+1) % MAX;
        printf("now bottom is %d\n", bottom);
        pthread_cond_signal(¬full);//发出队不满的消息

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    return (void*)2;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t thid1;
    pthread_t thid2;
    pthread_t thid3;
    pthread_t thid4;

    int ret1;
    int ret2;
    int ret3;
    int ret4;

    pthread_create(&thid1, NULL, produce, NULL);
    pthread_create(&thid2, NULL, consume, NULL);
    pthread_create(&thid3, NULL, produce, NULL);
    pthread_create(&thid4, NULL, consume, NULL);

    pthread_join(thid1, (void**)&ret1);
    pthread_join(thid2, (void**)&ret2);
    pthread_join(thid3, (void**)&ret3);
    pthread_join(thid4, (void**)&ret4);

    return 0;
}

注：

为什么信号量在互斥区外，而条件变量在互斥区内呢？

因为互斥锁本质上是二元信号量，和信号量互斥的原理相同，而且放在互斥区会死锁，而条件变量是和互斥锁协同配合的，

我们从pthread_cond_wait()和pthread_cond_signal()的内部实现就可以看出

pthread_cond_wait()是先将互斥锁解开，并陷入阻塞，直到pthread_signal()发出信号后pthread_cond_wait()再加上锁，然后退出，可以看到它们在设计时就是为了协同配合，而互斥锁和信号量都是由Linux下的futex机制实现的，这里就不展开说了

这里贴出了pthread_wait()源码图

以上就是小编为大家带来的浅谈生产者消费者模型(Linux系统下的两种实现方法)全部内容了，希望大家多多支持服务器之家~