生产者与消费者模型

本文介绍了生产者消费者模式的基本概念及其实现原理,并通过具体的代码示例展示了如何使用该模式来实现解耦、支持并发和应对忙闲不均的问题。

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使用系统:Centos

简述:

在实际软件开发过程中,经常会碰到如下场景:某个模块负责产生数据,这些数据由另一个模块来负责处理(此处的模块是广义的,可以是类、函数、线程、进程等)。产生数据的模块,就形象的称为生产者,而处理数据的模块,就称为消费者。
    单单抽象出生产者和消费者,还够不上是生产者/消费者模式。该模式还需要一个缓冲区处于消费者和生产者之间,作为一个中介。生产者把数据放入缓冲区,而消费者从缓冲区拿出数据。大概的结构如下图。

生产者消费者结构

缓冲区优点:

1、解耦
假设生产者和消费者分别是两个类。如果让生产者直接调用消费者的某个方法,那么生产者对于消费者就会产生依赖(也就是耦合)。将来如果消费者的代码发生变化,可能会影响到生产者。而如果两者都依赖于某个缓冲区,两者之间不直接依赖,耦合也就相应降低了。
2、支持并发
生产者直接调⽤用消费者的某个方法,还有另一个弊端。由于函数调用是同步的(或者叫阻塞的),在消费者的方法没有返回之前,生产者只好一直等在那边。万一消费者处理数据很慢,生产者就会白白糟蹋大好时光。使用了生产者/消费者模式之后,生产者和消费者可以是两个独立的并发主体(常见并发类型有进程和线程两种)。生产者把制造出来的数据往缓冲区一丢,就可以再去生产下一个数据。基本上不用依赖消费者的处理速度。
3、支持忙闲不均
缓冲区还有另一个好处。如果制造数据的速度时快时慢,缓冲区的好处就体现出来了。当数据制造快的时候,消费者来不及处理,未处理的数据可以暂时存在缓冲区中。等生产者的制造速度慢下来,消费者再慢慢处理掉。


生产者消费者模型原则:
3种关系:
(1)互斥(生产者之间);
(2)互斥(消费者之间);
(3)互斥与同步(生产者与消费者之间);
2种角色:
(1)生产者;
(2)消费者;
1个交易场所


#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct Listnode{
    int data;
    struct Listnode *next;
}node,*pnode,**ppnode;

pnode head = NULL;
pthread_mutex_t lock =PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
pthread_cond_t cond =PTHREAD_COND_INITIALIZER; 

static pnode AllocListnode(int data)
{
    pnode tmp = (pnode)malloc(sizeof(node));
    if(tmp ==NULL)
    {
        perror("malloc");
        exit(1);
    }
    tmp->data = data;
    tmp->next = NULL;
}

static void DeleteListnode(pnode n)
{
    if(n){
        free(n);
    }
}

void InitList(ppnode node)
{
    *node = AllocListnode(0);
}

void PushFront(pnode node,int data)
{
    pnode tmp = AllocListnode(data);
    tmp->next = node->next;
    node->next = tmp;
}

void PopFront(pnode node,int *out)
{
    if(!Empty(node))
    {
    pnode tmp = node->next;
    node->next = tmp->next;
    *out = tmp->data;
    DeleteListnode(tmp);
    }
}

void ShowList(pnode node)
{
    pnode start = node->next;
    while(start)
    {
        printf("%d",start->data);
        start = start->next;
    }
    printf("\n");
}

void Destory(pnode node)
{
    int tmp = 0;
    while(!Empty(node))
    {
        PopFront(node,&tmp);
    }
    DeleteListnode(node);
}

int  Empty(pnode node)
{
    return node->next ==NULL? 1:0;
}

//消费者
 void *Consum(void *arg)
 {
     int c;
     while(1)
     {
         c = -1;
         //加锁
         pthread_mutex_lock(&lock);
         //如果为空等待
         while(Empty(head))
         {
             printf("consum begin waiting...\n");
             //条件变量等待
             pthread_cond_wait(&cond,&lock);
         }
         PopFront(head,&c);
         pthread_mutex_unlock(&lock);
         printf("consum done: %d \n",c);
        // sleep(3);
     }
 }

 //生产者
 void *Product(void *arg)
 {
     int p;
     while(1)
     {
         p = rand()%1234;
         pthread_mutex_lock(&lock);
         PushFront(head,p);
         pthread_mutex_unlock(&lock);
         //生产完了给消费者信号
         pthread_cond_signal(&cond);
         printf("product done: %d\n",p);
         sleep(3);
     }
 }

 int main()
 {
     //初始化链表
     InitList(&head);
     //创建生产者和消费者线程
     pthread_t P,C;
     pthread_create(&P,NULL,Product,NULL);
     pthread_create(&C,NULL,Consum,NULL);

     pthread_join(C,NULL);
     pthread_join(P,NULL);

     pthread_mutex_destroy(&lock);
     pthread_cond_destroy(&cond);

     //销毁链表
     Destory(head);
     return 0;
 }

消费者比生产者快:
这里写图片描述
生产者比消费者快:
这里写图片描述

基于环形队列的生产者消费者模型
这里写图片描述

环形队列是一个固定大小的临界区,如何模拟一个环呢,我们可以%上一个数组的大小。

基于环形队列的生产者与消费者模型等同于进程间通信使用信号量的方法,如上图所示生产者生产的时候需要P操作(申请格子资源),释放的时候即生产了数据之后V操作。而消费者消费的时候进行P操作(申请数据资源),释放的时候即拿走数据之后V操作。

必须满足的条件 :

消费者必须紧跟在生产者的后面(不能超过)
生产者不能给 消费者套圈
生产者和消费者不能在同一个格子
如果为满 : 消费者先跑
如果为空: 生产者先跑

代码部分:

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define SIZE  64
int ring[SIZE];
sem_t blank_sem;
sem_t data_sem;

void *Product(void *arg)
{
    int step = 0;
    int data = 0;
    while(1)
    {
     sem_wait(&blank_sem);
     ring[step++] = data;
     sem_post(&data_sem);
     step %= SIZE;
     printf("Product done: %d\n",data++);
     sleep(3);
    }
}
void *Comsum(void *arg)
{
    int step = 0;
    while(1)
    {
        sleep(1);
        sem_wait(&data_sem);
        int data = ring[step++];
        sem_post(&blank_sem);
        //环形
        step %= SIZE;
    printf("Comsum done :%d\n",data);
    }
}

int main()
{
    sem_init(&blank_sem,0,SIZE);
    sem_init(&data_sem,0,0);

    pthread_t P, C;
    pthread_create(&P,NULL,Product,NULL);
    pthread_create(&C,NULL,Comsum,NULL);

    pthread_join(P,NULL);
    pthread_join(C,NULL);

    sem_destroy(&blank_sem);
    sem_destroy(&data_sem);
    return 0;
}

运行结果如下:

环形队列生产消费模型

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