操作系统笔记(3):多线程信号量控制实现较复杂的生产者-消费者模型

最新推荐文章于 2022-11-02 17:12:24 发布

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在上一节已经讲解了信号量的基本原理，并用信号量实现了一个简单的锁变量机制，本节将使用信号量进行一个更为复杂系统的实现，对信号量的理解要求更高。
但首先要先明确，再怎么复杂它都是有核心概念的，就是：
当对某个信号量调用sem_wait(sem)时，只要sem为正数，就能继续进行运行，同时sem减一，否则阻塞在该瞬间。
而调用sem_post(sem)时，sem首先会加一，并能放行一个被阻塞的线程。

而其它的约束都是没有的，比如sem的初始值应该是多少啊，什么时候进行wp操作啊，wp需不需要成对出现啊。这些都是根据需要设定即可。

复杂的生产者-消费者模型：

我们设计这样的模型：有a个生产者、b个消费者，
生产者要花费一定时间生产一个产品，用一个值value表示，然后放进一个队列中。
消费者从队列中取出一个产品，花费一定时间消耗掉它。
这个队列就是该模型中的有界缓冲区。

接下来列出我们要在哪里、设计一个怎样的信号量才能实现所有共享数据的正确
产品值value，任意时刻只能有一个生产者访问到value并将至自增1（表示产生好一个产品，下一次生产value+1的产品）
队列头h，任意时刻只能有一个消费者访问h，取出队列中的头元素并将h后移
队列尾t，任意时刻只能有一个生产者访问t，放入队列中一个尾元素（生产者产出的产品value）
这里我们使用一个循环队列，那么问题来了，假设生产者运行生产飞快，消费者消费很慢，显然队列满的时候不可以放入。
同理消费者消费很快时，队列空时不可以继续消费。
因此这里要需要特殊信号量的设计：
canRead，控制型信号量，当队列非空时，canRead为一个正数，消费者要进行消费前，要先调用sem_wait(canRead)，在canRead为非正数时说明此时队列中没有值可以取出消费，从而实现阻塞在这里，等待队列填充
canInput，控制型信号量，同样道理，保证队列满时，生产者会被阻塞起来，从而不往里放元素。

两者的初始值也需要进行仔细设计：
canRead，在一开始显然队列为空，所有的消费者都无法进行消费，可见一开始就得都阻塞起来，canRead都为0
canInput，在一开始显然能放入等于队列大小的元素，因此canInput为队列大小。
调用sempost的地方也很有意思，生产者成功地完整地放进去一个元素后，才可以让消费者读，所以sempost(canRead)在生产者放进去后再调用
canInput同样，是在消费者取出来后，才可以调用其sempost

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<sys/select.h>
#include<sys/time.h>

#define F(i,a,b) for(int i=a;i<=b;i++)
#define MAXN 2
sem_t semValue,semTail,semHead,canInput,canRead;
int que[MAXN];
int h=0,t=0,value=1;

void msleep(int ms){
    struct timeval tval;
    tval.tv_sec=ms/1000;
    tval.tv_usec=(ms*1000)%1000000;
    select(0,NULL,NULL,NULL,&tval);
}

void provideData(){
    while(1){
        sem_wait(&semValue);
        int providedNum = value++;
        sem_post(&semValue);
        printf("now providing value = %d\n", providedNum);
        msleep(2000);
        sem_wait(&canInput);
        sem_wait(&semTail);
        que[t] = providedNum;
        t = (t + 1) % MAXN;
        sem_post(&semTail);
        sem_post(&canRead);
        printf("now provided and inputed value = %d\n", providedNum);
    }
}

void consumerData(){
    while(1){
        sem_wait(&canRead);
        sem_wait(&semHead);
        int consumedNum = que[h];
        h = (h + 1) % MAXN;
        sem_post(&semHead);
        sem_post(&canInput);
        printf("now consume value = %d\n", consumedNum);
        msleep(3000);
        printf("now has consumd value = %d\n", consumedNum);
    }
}

int main(){
    int a,b;
    printf("input the number of providers and consumers:\n");
    scanf("%d %d",&a,&b);
    pthread_t* provider, *consumer;
    provider = malloc(a * sizeof(pthread_t));
    consumer = malloc(b * sizeof(pthread_t));
    sem_init(&semValue, 0, 1);
    sem_init(&semHead, 0, 1);
    sem_init(&semTail, 0, 1);
    sem_init(&canRead, 0, 0);
    sem_init(&canInput, 0, MAXN);
    F(i,0,a-1){
        pthread_create(provider + i, NULL, (void *)provideData, NULL);
    }
    F(i,0,b-1){
    pthread_create(consumer + i, NULL, (void *)consumerData, NULL);
    }
    F(i,0,a-1){
        pthread_join(provider[i], NULL);
    }
    F(i,0,b-1){
        pthread_join(consumer[i], NULL);
    }
    sem_destroy(&semValue);
    sem_destroy(&semHead);
    sem_destroy(&semTail);
    sem_destroy(&canRead);
    sem_destroy(&canInput);
}

为了方便展示，这里设计有界缓冲区只有2个元素的大小

[root@localhost multithread]# ./main.out
input the number of providers and consumers:
3 3
now providing value = 1
now providing value = 2
now providing value = 3
now provided and inputed value = 3
now providing value = 4
now consume value = 3
now provided and inputed value = 2
now providing value = 5
now provided and inputed value = 1
now providing value = 6
now consume value = 1
now consume value = 2
now provided and inputed value = 4
now providing value = 7
now provided and inputed value = 5
now providing value = 8
now has consumd value = 3
now consume value = 4
now provided and inputed value = 6
now providing value = 9

这里我们安排3个生产者，3个消费者，
从输出中看到，先是3个生产者进行工作，然后放进去一个3号后，开始生产4，3随机立马被拿出去消费，2、1号顺势完成放进队列后，开始生产5、6，后1、2号再被消费。
这里value的自增也是正确的、生产、消费顺序也是合法的。
大家自己试试，把生产、消费的时间拉长动态观察分析分析，应该能更好地理解。

这里其实还有能继续要深入理解的地方，比如一开始我们可能所有的consumer都被canRead阻塞了，那么其实根本就不存在canRead大与0的时刻，但是在生产者生产后调用sempost(canRead)，还能放行一个消费者立刻去读取，所以说canRead这个信号量在为负数的时候其绝对值才表示“阻塞”在其上的线程数。

因此前文的理解也还有发展空间，这里就是：阻塞在信号量上的线程会在sempost时放行一个，核心是维护信号量在为负数的时候其绝对值表示“阻塞”在其上的线程数