C++并发编程实践：生产者-消费者模型全面解析-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/gitblog_00766/article/details/148505528

C++并发编程实践：生产者-消费者模型全面解析

Cplusplus-Concurrency-In-Practice A Detailed Cplusplus Concurrency Tutorial 《C++ 并发编程指南》项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/Cplusplus-Concurrency-In-Practice

引言

生产者-消费者模型是并发编程中最经典的问题之一，它描述了多线程环境下生产者和消费者之间的协作关系。本文将基于C++11标准库中的多线程工具，深入探讨四种不同场景下的生产者-消费者模型实现方案。

基本概念

什么是生产者-消费者模型

生产者-消费者模型描述了一个或多个生产者线程生成数据（产品），并将其放入共享缓冲区，同时一个或多个消费者线程从缓冲区取出数据并进行处理的场景。该模型需要解决的核心问题是：

缓冲区同步访问控制
缓冲区满时生产者等待
缓冲区空时消费者等待

C++11相关工具

实现该模型主要使用以下C++11特性：

std::thread：线程类
std::mutex：互斥锁
std::condition_variable：条件变量
std::unique_lock：RAII风格的锁管理

单生产者-单消费者模型

实现要点

这是最简单的场景，只需要考虑一个生产者和一个消费者之间的同步问题。关键实现细节包括：

环形缓冲区设计
读写位置指针管理
条件变量通知机制

代码解析

struct ItemRepository {
    int item_buffer[kItemRepositorySize]; // 环形缓冲区
    size_t read_position;  // 读位置
    size_t write_position; // 写位置
    std::mutex mtx; // 互斥锁
    std::condition_variable repo_not_full;  // 不满条件
    std::condition_variable repo_not_empty; // 不空条件
};

生产者逻辑：

获取锁
检查缓冲区是否已满，满则等待
写入数据
更新写位置
通知消费者
释放锁

消费者逻辑：

获取锁
检查缓冲区是否为空，空则等待
读取数据
更新读位置
通知生产者
释放锁

单生产者-多消费者模型

新增挑战

当引入多个消费者时，除了基本的同步问题外，还需要：

跟踪已消费的项目数量
确保所有消费者能正确退出

关键修改

struct ItemRepository {
    // ...其他成员不变
    size_t item_counter; // 新增：已消费计数
    std::mutex item_counter_mtx; // 计数器的专用锁
};

消费者线程需要：

检查全局消费计数器
原子性地更新计数器
根据计数器决定是否退出

多生产者-单消费者模型

新增挑战

多个生产者带来的问题类似于多个消费者：

跟踪已生产的项目数量
确保所有生产者能正确退出

实现差异

与多消费者模型类似，但关注的是生产计数器：

struct ItemRepository {
    // ...其他成员不变
    size_t item_counter; // 已生产计数
    std::mutex item_counter_mtx; // 生产计数器锁
};

多生产者-多消费者模型

最复杂场景

这是前两种模型的结合，需要同时管理：

生产计数器
消费计数器
缓冲区同步

完整实现

struct ItemRepository {
    // ...缓冲区相关成员
    size_t produced_item_counter; // 生产计数
    size_t consumed_item_counter; // 消费计数
    std::mutex produced_item_counter_mtx; // 生产计数锁
    std::mutex consumed_item_counter_mtx; // 消费计数锁
};