生产者消费者问题是同步问题中的一种常见情况,借用一下维基百科的话
生产者消费者问题(英语:Producer-consumer problem),也称有限缓冲问题(英语:Bounded-buffer problem),是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中,然后重复此过程。与此同时,消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据,消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。
第一种实现信号量配合互斥锁实现,这种方法很清晰简单
信号量:
信号量的特性如下:信号量是一个非负整数(车位数),所有通过它的线程/进程(车辆)都会将该整数减一(通过它当然是为了使用资源),当该整数值为零时,所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号量上我们定义两种操作: Wait(等待) 和 Release(释放)。当一个线程调用Wait操作时,它要么得到资源然后将信号量减一,要么一直等下去(指放入阻塞队列),直到信号量大于等于一时。Release(释放)实际上是在信号量上执行加操作,对应于车辆离开停车场,该操作之所以叫做“释放”是因为释放了由信号量守护的资源。
wait, release在Linux下
int sem_wait(sem_t * sem);
int sem_post(sem_t * sem);
设定两个信号量,empty用来表示空槽的个数,full用来表示占有的个数
生产者在向任务队列里放资源时,调用sem_wait(&full)来检查队列是否已满,如果满的话,就阻塞,直到有消费者从里面取资源再苏醒,如果不满,就放资源,并通知消费者来取。
消费者在从任务队列里取资源时,调用sem_wait(&empty)来检查队列是否为空,如果空的话,就阻塞,直到有生产者向里面放资源再苏醒,如果不空,就取资源,并通知生产者来放。
而互斥锁仅仅是为了防止多个线程同时对队列进行操作,造成未知的结果。
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <semaphore.h> #define MAX 5 //队列长度 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; sem_t full; //填充的个数 sem_t empty; //空槽的个数 int top = 0; //队尾 int bottom = 0; //队头 void* produce(void* arg) { int i; for ( i = 0; i < MAX*2; i++) { printf("producer is preparing data\n"); sem_wait(&empty);//若空槽个数低于0阻塞 pthread_mutex_lock(&mutex); top = (top+1) % MAX; printf("now top is %d\n", top); pthread_mutex_unlock(&mutex); sem_post(&full); } return (void*)1; } void* consume(void* arg) { int i; for ( i = 0; i < MAX*2; i++) { printf("consumer is preparing data\n"); sem_wait(&full);//若填充个数低于0阻塞 pthread_mutex_lock(&mutex); bottom = (bottom+1) % MAX; printf("now bottom is %d\n", bottom); pthread_mutex_unlock(&mutex); sem_post(&empty); } return (void*)2; } int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t thid1; pthread_t thid2; pthread_t thid3; pthread_t thid4; int ret1; int ret2; int ret3; int ret4; sem_init(&full, 0, 0); sem_init(&empty, 0, MAX); pthread_create(&thid1, NULL, produce, NULL); pthread_create(&thid2, NULL, consume, NULL); pthread_create(&thid3, NULL, produce, NULL); pthread_create(&thid4, NULL, consume, NULL); pthread_join(thid1, (void**)&ret1); pthread_join(thid2, (void**)&ret2); pthread_join(thid3, (void**)&ret3); pthread_join(thid4, (void**)&ret4); return 0; }
注:如果把sem_wait()和sem_post()放到pthread_mutex_lock()与pthread_mutex_unlock()之间会如何呢?
答案是:死锁,因为我们不能预知线程进入共享区顺序,如果消费者线程先对mutex加锁,并进入,sem_wait()发现队列为空,阻塞,而生产者在对mutex加锁时,发现已上锁也阻塞,双方永远无法唤醒对方。
第二种是条件变量配合互斥锁实现
条件变量的常见用法是在不满足某些条件时,阻塞自己,直到有线程通知自己醒来。
而互斥量在这里的作用依然还是防止多线程对共享资源同时操作,造成未知结果。
生产者消费者的行为与之前相同,只不过原来只调用sem_wait()可以完成两步,1是检查条件,2是阻塞,现在条件变量需要我们自己来设定条件(所以说条件变量配合互斥锁比信号量的功能更强大,因为它可以自定义休眠条件,但是这对使用者的要求也提高了,必须理清逻辑关系避免死锁)
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #define MAX 5 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_cond_t notfull = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //是否队满 pthread_cond_t notempty = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //是否队空 int top = 0; int bottom = 0; void* produce(void* arg) { int i; for ( i = 0; i < MAX*2; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); while ((top+1)%MAX == bottom) { printf("full! producer is waiting\n"); pthread_cond_wait(¬full, &mutex);//等待队不满 } top = (top+1) % MAX; printf("now top is %d\n", top); pthread_cond_signal(¬empty);//发出队非空的消息 pthread_mutex_unlock(&mutex); } return (void*)1; } void* consume(void* arg) { int i; for ( i = 0; i < MAX*2; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); while ( top%MAX == bottom) { printf("empty! consumer is waiting\n"); pthread_cond_wait(¬empty, &mutex);//等待队不空 } bottom = (bottom+1) % MAX; printf("now bottom is %d\n", bottom); pthread_cond_signal(¬full);//发出队不满的消息 pthread_mutex_unlock(&mutex); } return (void*)2; } int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t thid1; pthread_t thid2; pthread_t thid3; pthread_t thid4; int ret1; int ret2; int ret3; int ret4; pthread_create(&thid1, NULL, produce, NULL); pthread_create(&thid2, NULL, consume, NULL); pthread_create(&thid3, NULL, produce, NULL); pthread_create(&thid4, NULL, consume, NULL); pthread_join(thid1, (void**)&ret1); pthread_join(thid2, (void**)&ret2); pthread_join(thid3, (void**)&ret3); pthread_join(thid4, (void**)&ret4); return 0; }
注:
为什么信号量在互斥区外,而条件变量在互斥区内呢?
因为互斥锁本质上是二元信号量,和信号量互斥的原理相同,而且放在互斥区会死锁,而条件变量是和互斥锁协同配合的,
我们从pthread_cond_wait()和pthread_cond_signal()的内部实现就可以看出
pthread_cond_wait()是先将互斥锁解开,并陷入阻塞,直到pthread_signal()发出信号后pthread_cond_wait()再加上锁,然后退出,可以看到它们在设计时就是为了协同配合,而互斥锁和信号量都是由Linux下的futex机制实现的,这里就不展开说了
这里贴出了pthread_wait()源码图
以上就是小编为大家带来的浅谈生产者消费者模型(Linux系统下的两种实现方法)全部内容了,希望大家多多支持~
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