浅谈生产者消费者模型(Linux系统下的两种实现方法)
wanzyao 2019-04-16
生产者消费者问题是同步问题中的一种常见情况，借用一下维基百科的话
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
