Linux 生产者/消费者

本文详细介绍了生产者消费者问题的概念,包括其核心要点:互斥访问、条件同步以及如何通过信号量解决这些问题。此外,还提供了一个C++实现的示例,展示了如何利用互斥锁和信号量来管理缓冲区,确保生产者和消费者线程的并发执行和动态平衡。该模型有助于解耦生产者和消费者,支持并发并能应对生产与消费速率不匹配的情况。

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生产者消费者
生产者消费者问题概述
生产者/消费者问题,也被称作有限缓冲问题。可以描述为:两个或者更多的线程共享同一个缓冲区,其中一个或多个线程作为“生产者”会不断地向缓冲区中添加数据,另一个或者多个线程作为“消费者”从缓冲区中取走数据。生产者/消费者模型关注的是以下几点:

*生产者和消费者必须互斥的使用缓冲区
*缓冲区空时,消费者不能读取数据
*缓冲区满时,生产者不能添加数据

生产者消费者模型优点:

  1. 解耦:因为多了一个缓冲区,所以生产者和消费者并不直接相互调用,这样生产者和消费者的代码
    发生变化,都不会对对方产生影响。这样其实就是把生产者和消费者之间的强耦合解开,变成了生
    产者和缓冲区,消费者和缓冲区之间的弱耦合
  2. 支持并发:如果消费者直接从生产者拿数据,则消费者需要等待生产者生产数据,同样生产者需要
    等待消费者消费数据。而有了生产者/消费者模型,生产者和消费者可以是两个独立的并发主体。
    生产者把制造出来的数据添加到缓冲区,就可以再去生产下一个数据了。而消费者也是一样的,从
    缓冲区中读取数据,不需要等待生产者。这样,生产者和消费者就可以并发的执行。
  3. 支持忙闲不均:如果消费者直接从生产者这里拿数据,而生产者生产数据很慢,消费者消费数据很
    快,或者生产者生产数据很多,消费者消费数据很慢。都会造成占用CPU的时间片白白浪费。生产
    者/消费者模型中,生产者只需要将生产的数据添加到缓冲区,缓冲区满了就不生产了。消费者从
    缓冲区中读取数据,缓冲区空了就不消费了,使得生产者/消费者的处理能力达到一个动态的平
    衡。
    生产者消费者模型实现
    假定缓冲池中有N个缓冲区,一个缓冲区只能存储一个int类型的数据。定义互斥锁mutex实现对缓冲区的互斥访问;计数信号量dempty用来表示空闲缓冲区的数量,其初值为N;计数信号量dfull用来表示有数据的缓冲区的数量,其初值为0
#include<stdio.h>`
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<assert.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<time.h>

#define BUFF_MAX 30//最大定为30
#define SC_NUM 2//生产者为2
#define XF_NUM 3//消费者为3

int in=0;//输入从0开始
int out=0;//输出从0开始
sem_t sem_empty;
sem_t sem_full;
pthread_mutex_t mutex;

int buff[BUFF_MAX]={0};

void *sc_thread(void *arg)//生产者线程函数
{
   int index=(int)arg;
   while(1)
   {
       sem_wait(&sem_empty);
       pthread_mutex_lock(&mutex);
       buff[in]=rand()%100;
       printf("生产者%d 产生数据%d,in=%d\n",index,buff[in],in);
       in=(in+1)%BUFF_MAX;
       pthread_mutex_unlock(&mutex);
       sem_post(&sem_full);

       int n=rand()%10;
       sleep(n);

   }
}
void*xf_thread(void*arg)//消费者线程函数
{
   int index=(int)arg;
   while(1)
   {
       sem_wait(&sem_full);
       pthread_mutex_lock(&mutex);
       printf("消费者 %d 消费数据 %d,out=%d\n",index,buff[out],out);
       out=(out+1)%BUFF_MAX;
       pthread_mutex_unlock(&mutex);
       sem_post(&sem_empty);

       int n=rand()%10;
       sleep(n);

   }    
}
int main()
{
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);//初始化互斥🔓
    sem_init(&sem_empty,0,BUFF_MAX);//初始化信号量
    sem_init(&sem_full,0,0);

    srand((int)time(NULL));

    pthread_t sc_id[SC_NUM];//线程ID
    pthread_t xf_id[XF_NUM];

    int i=0;
    for(i;i<SC_NUM;i++)
    {
        pthread_create(&sc_id[i],NULL,sc_thread,(void*)i);//创造线程
    }

    for(int i=0;i<XF_NUM;i++)
    {
        pthread_create(&xf_id[i],NULL,xf_thread,(void*)i);

    }
    for(i=0;i<XF_NUM;i++)
    {
        pthread_join(sc_id[i],NULL);//等待 thread 指定的线程退出,线程未退出时,该方法阻塞
    }
    for(i=0;i<SC_NUM;i++)
    {
          pthread_join(sc_id[i],NULL);
    }
    sem_destroy(&sem_empty);
    sem_destroy(&sem_full);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    exit(0);
}


在这里插入图片描述

Linux 生产者-消费者问题(Producer-Consumer Problem)是一个经典的并发编程示例,它涉及到两个线程角色:生产者消费者,使用队列来管理数据交换。在C语言中,这个问题通常通过互斥锁(mutex)、条件变量(condition variables)或信号量(semaphores)来解决,以确保线程间的同步和避免数据竞争。 以下是基本的C语言实现步骤: 1. 创建一个共享的数据结构(如队列或环形缓冲区),用于存储生产者产生的数据。 2. 使用互斥锁保护数据结构,确保任何时候只有一个线程可以访问它。 3. **生产者**线程负责生成数据,并将数据放入数据结构。当队列满或者没有空闲位置时,生产者会进入等待状态,直到消费者处理了部分数据。 4. **消费者**线程负责从数据结构中取出数据并处理。当队列为空时,消费者会进入等待状态,直到生产者添加了新的数据。 5. 使用条件变量来触发线程从等待状态唤醒,只有满足特定条件(如队列非空或非满)时,线程才会被唤醒。 ```c #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <semaphore.h> #define BUFFER_SIZE 10 sem_t empty, full; int buffer[BUFFER_SIZE]; int count = 0; int in_prod = 0; int in_cons = 0; void *producer(void *arg) { while (1) { sem_wait(&empty); // 当队列满时等待 buffer[in_prod] = 'P'; // 生产数据 in_prod = (in_prod + 1) % BUFFER_SIZE; count++; // 增加计数 sem_post(&full); // 队列不满时通知消费者 } } void *consumer(void *arg) { while (1) { sem_wait(&full); // 当队列空时等待 printf("Consuming: %c\n", buffer[in_cons]); in_cons = (in_cons + 1) % BUFFER_SIZE; count--; // 减少计数 sem_post(&empty); // 队列不空时通知生产者 } } int main() { pthread_t producer_thread, consumer_thread; sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE); sem_init(&full, 0, 0); pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL); pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL); pthread_join(producer_thread, NULL); pthread_join(consumer_thread, NULL); sem_destroy(&empty); sem_destroy(&full); return 0; } ```
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