Linux线程同步（3）生产者与消费者、条件变量与信号量

1.生产者与消费者的概念

生产者与消费者（Producer-Consumer）问题，是一个经典的并发编程问题。在这个问题中，涉及到两类进程：生产者和消费者。生产者负责生产数据，并将其放入一个缓冲区中；消费者则从缓冲区中取出数据并消费。

生产者和消费者通常是并发运行的，即它们可能在不同的时间点执行。生产者可能会在生产数据后立即放入缓冲区，而消费者可能会在稍后的时间点从缓冲区中取出数据。因此，需要一种机制来同步生产者和消费者的行为，以确保缓冲区不会溢出（即生产者不会在缓冲区满时继续生产数据）或下溢（即消费者不会在缓冲区空时尝试取出数据）。

生产者与消费者模型是一个经典的并发编程模型，用于解决多线程或进程间的数据共享和同步问题。该模型涉及两类对象：生产者和消费者，以及一个共享的数据缓冲区。

生产者：负责生产数据，并将这些数据放入共享缓冲区中。生产者可以在任何时间点生产数据，并将其添加到缓冲区，供消费者使用。

消费者：负责从共享缓冲区中取出数据，并进行消费（或处理）。消费者可以在任何时间点从缓冲区中取出数据进行处理。

共享缓冲区：是一个中介，用于存储生产者生产的数据，供消费者使用。这个缓冲区通常是有限的，因此生产者和消费者需要一种机制来同步他们的行为，以防止缓冲区溢出（生产者生产的数据太多，消费者来不及消费）或下溢（消费者消费的数据太多，生产者来不及生产）。

生产者-消费者模型中的关键概念和原则包括：

1. 互斥：生产者和消费者需要互斥地访问共享缓冲区，以防止数据竞争和不一致的状态。这通常通过使用互斥锁（mutex）或其他同步机制来实现。
2. 同步：生产者和消费者之间的同步是确保数据正确流动的关键。生产者不能在缓冲区满时继续生产数据，而消费者也不能在缓冲区空时尝试取出数据。这可以通过使用信号量（semaphores）、条件变量（condition variables）或其他同步机制来实现。
3. 死锁和饥饿：在生产者-消费者模型中，需要特别注意避免死锁和饥饿问题。死锁是指多个线程或进程互相等待对方释放资源，导致无法继续执行。饥饿是指某些线程或进程长时间得不到所需的资源，而其他线程或进程却能得到足够的资源。为了避免这些问题，需要合理设计同步机制，并确保资源的公平分配。

初步实现生产者和消费者模型:

使用链表的数据结构，生产者生产数据，即不断地创建新节点，然后添加到链表中。

首先创建链表的数据结构，然后初始化一个头节点。

为了生产者和消费者需要互斥地访问共享缓冲区，那么创建一个互斥量 mutex

// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;

//链表节点数据结构
struct Node{
    int num;
    struct Node *next;
};

// 头结点
struct Node * head = NULL;

生产者采用头插法向链表中添加数据

//生产者生产数据
void * producer(void * arg) {

    // 不断的创建新的节点，添加到链表中
    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand() % 1000; //随机值
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

消费者需要读取缓冲区中的数据，然后删除节点，在删除的时候，为了避免溢出，需要先判断链表中是否还有节点可以删除，即if(head != NULL) 

//消费者，取内容
void * customer(void * arg) {

    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 保存头结点的指针
        struct Node * tmp = head;

        // 判断是否有数据
        if(head != NULL) {
            // 有数据
            head = head->next;
            printf