【C/C++】消费-生产者模型

最新推荐文章于 2024-01-27 17:24:18 发布

Joymine

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分类专栏： Linux 驱动

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Joymine/article/details/75226467

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关于PV，信号量，同步，互斥的说明

互斥：
是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：
是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问，更强调进程间的协作，如同生产者消费者问题。

PV原语
PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用P V操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息，（P信号量减1，V信号量加1）

利用信号量和PV原语进行同步和互斥

利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是：
进程P1 进程P2 …… 进程Pn
……　 ……　 ……
P（S）；　 P（S）；　 P（S）；
临界区；　临界区；　临界区；
V（S）；　 V（S）；　 V（S）；
……　 ……　 …… ……

其中信号量S用于互斥，初值为1。
使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是：

每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。
P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。
互斥信号量的初值一般为1。

利用信号量和PV操作实现进程同步：
PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。

使用PV操作实现进程同步时应该注意的是：

分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。
同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。

参考：
http://blog.youkuaiyun.com/knight_coder/article/details/39237393

实战API

相关API说明：

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop，的使用

/* Install a cleanup handler: ROUTINE will be called with arguments ARG
   when the thread is canceled or calls pthread_exit.  ROUTINE will also
   be called with arguments ARG when the matching pthread_cleanup_pop
   is executed with non-zero EXECUTE argument.

   pthread_cleanup_push and pthread_cleanup_pop are macros and must always
   be used in matching pairs at the same nesting level of braces.  */
#  define pthread_cleanup_push(routine, arg) \
  do {                                        \
    __pthread_cleanup_class __clframe (routine, arg)


/* Remove a cleanup handler installed by the matching pthread_cleanup_push.
   If EXECUTE is non-zero, the handler function is called. */
#  define pthread_cleanup_pop(execute) \
    __clframe.__setdoit (execute);                        \
  } while (0)

这一组函数主要用于保护锁操作区间，如果在return之前，发生异常，调用pthread_cleanup_push的回调函数，这个自定义的回调函数主要用来释放资源和锁等，避免资源浪费和死锁。如果正常返回，pthread_cleanup_pop则会调用来取消pthread_cleanup_push的回调函数。
线程接收到cancel后用一种方法来保证异常退出(也就是线程没达到终点)时可以做清理工作(主要是解锁方面)，pthread_cleanup_push与pthread_cleanup_pop就是这样的。

sem_post和sem_wait的使用

typedef union
{
  char __size[__SIZEOF_SEM_T];
  long int __align;
} sem_t; //同步信号量

//=========semaphore.h as below==============================
    /*
     *  int sem_init (sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
     * sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项，并指定一个整数类型的初始值。
     * pshared参数控制着信号量的类型。如果 pshared的值是０，就表示它是当前里程的局部信号量；否则，其它进程就能够共享这个信号量
     */

/* Initialize semaphore object SEM to VALUE.  If PSHARED then share it
   with other processes.  */
extern int sem_init (sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value)
     __THROW;
//相当于信号的P操作，等待获取信号资源，信号资源减一
#define sem_wait(sem)  (int(WAIT_OBJECT_0!=WaitForSingleObject(*sem,INFINITE))


//相当于信号的V操作，信号资源加一，释放信号资源
/* Wait for SEM being posted.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern int sem_wait (sem_t *__sem);

/* Post SEM.  */
extern int sem_post (sem_t *__sem) __THROWNL;

pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock的使用

pthread_mutex_lock   锁住一个临界区
pthread_mutex_lock   解锁一个临界区

pthread_cond_wait和pthread_cond_signal的使用
总结起来就是，X因为一个条件成立而处于等待状态；而线程Y让某个条件成立之后，发送唤醒X线程的信号。

//用完释放锁
/* Destroy condition variable COND.  */
extern int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond)
     __THROW __nonnull ((1));

//线程X使条件成立，调用此函数来唤醒一个被这个condition控制而处于等待状态的线程Y，
/* Wake up one thread waiting for condition variable COND.  */
extern int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond)
     __THROWNL __nonnull ((1));

//唤醒所有被这个condition控制而处于等待状态的线程，使条件满足
/* Wake up all threads waiting for condition variables COND.  */
extern int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond)
     __THROWNL __nonnull ((1));


//一个等待条件成立，等待挂起线程
/* Wait for condition variable COND to be signaled or broadcast.
   MUTEX is assumed to be locked before.

   This function is a cancellation point and therefore not marked with
   __THROW.  */
extern int pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond,
                  pthread_mutex_t *__restrict __mutex)
     __nonnull ((1, 2));

操作实例：

这个案例是实现一个多对多的消费者生产模式
sem+mutex实现，使用pthread_cleanup_push实现接收非正常退出的处理

/*
 * pc_v4.cpp
 *
 *  Created on: Jul 13, 2017
 *      Author: buqing.wang
 */

/*
 *  生产者-消费者  多对多模型
 */

#include<semaphore.h>
#include <iostream>
#include <queue>
#include<cstdlib>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>

#define SIZE 4


using namespace std;

int size = 8;
queue<int> products;
sem_t datasem;  // 同步信号量，当没产品时阻止消费者消费,初始化为 0，因为起始状态，仓库没有产品，消费着不可操作
sem_t blanksem;//同步信号量，当满了时阻止生产者放产品；初始化为 生产者可操作的空间大小；为0表示满存不可操作

pthread_mutex_t mutex;//异步信号量 ,每次只能有一个线程访问仓库

int product_id = 0;

void interrupt_handle(void *param){
     sem_post(&datasem);
     pthread_mutex_unlock(&mutex);
     cout<<"clean handle"<<endl;

}

void *product(void *arg)
{

    while(1)
    {
        sleep(6);

        pthread_cleanup_push(interrupt_handle,NULL);
        sem_wait(&blanksem); //生产空间减小一个
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        char* value=(char*)arg;

        product_id++;
        products.push(product_id);
        cout<<value<<"  MAKE "<<product_id<<" TOTAL :"<<products.size()<<endl;

        /*
         * sem_post函数的作用是给信号量的值加上一个“1”，
         * 它是一个“原子操作”－－－即同时对同一个信号量做加“1”操作的两个线程是不会冲突的；
         * 而同时对同一个文件进行读、加和写操作的两个程序就有可能会引起冲突。
         * 信号量的值永远会正确地加一个
         *
         * 当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，
         * 选择机制同样是由线程的调度策略决定的。
         */


        sem_post(&datasem);//产品增加一个
        //cout<<"proce result :"<<endl;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_cleanup_pop(0);
    }

}

void *consume(void *arg)
{

    while(1)
    {
    /**
     * 函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，
     * 表明公共资源经使用后减少。函数sem_trywait ( sem_t *sem )是函数sem_wait（）的非阻塞版本，
     * 它直接将信号量sem的值减一。
     *
     *
     */
        sleep(1);
        sem_wait(&datasem);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        char *value=(char*)arg;
        if(products.size()<SIZE){
             cout<<value<<"   no product avilable!!"<<"   TOTAL:"<<products.size()<<endl;
             pthread_mutex_unlock(&mutex);

            // cout<<"proce result :"<<endl;
             sem_post(&datasem);
             //cout<<"proce result B:"<<endl;
            // sem_post(&blanksem);

             continue;
        }

//        for(int i=0;i<=2;i++)
//        {
//        cout<<value<<"  TAKE "<<products.front()<<endl;
//        products.pop();
//        }

        cout<<value<<"  TAKE "<<products.front()<<"  TOTAL :"<<products.size()<<endl;
        products.pop();
        sem_post(&blanksem);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);


    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t a_pr;
    pthread_t b_pr;
    pthread_t i_cm;
    pthread_t j_cm;

    char * a_p ="A producer ";
    char * b_p ="B producer ";
    char * i_c ="I comsumer ";
    char * j_c ="J comsumer ";

    /*
     *  int sem_init (sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
     * sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项，并指定一个整数类型的初始值。
     * pshared参数控制着信号量的类型。如果 pshared的值是０，就表示它是当前里程的局部信号量；否则，其它进程就能够共享这个信号量
     */


    sem_init(&datasem, 0, 0);
    sem_init(&blanksem,0, 4);
    pthread_create(&b_pr, NULL, product, (void*)b_p);
    pthread_create(&a_pr, NULL, product, (void*)a_p);

    pthread_create(&i_cm, NULL, consume, (void*)i_c);
    pthread_create(&j_cm, NULL, consume, (void*)j_c);


    pthread_join(b_pr, NULL);
    pthread_join(a_pr, NULL);
    pthread_join(i_cm, NULL);
    pthread_join(j_cm, NULL);
    sem_destroy(&datasem);//用来释放信号量sem
    sem_destroy(&blanksem);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}