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Linux--生产者与消费者

發布時間：2023/11/30 linux 45 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Linux--生产者与消费者小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

http://blog.csdn.net/gebushuaidanhenhuai/article/details/74011636

基本概念

提到生產者和消費者，我們最有可能想到的是商店賣東西，顧客在貨架上(緩沖區）買東西。?
生產者消費者問題，其實是一個多線程同步問題的經典案例。該問題描述了兩個共享固定大小緩沖區的線程—即所謂的“生產者”和“消費者”–在實際運行時會發生的問題。生產者的主要作用是生成一定量的數據放在緩沖區中，消費者在緩沖區消耗這些數據。但是，要保證生產者不會在緩沖區滿時還往緩沖區寫數據，消費者也不會在緩沖區為空時讀數據。?

三種關系

生產者與消費者之間是供求關系（互斥和同步）
生產者與生產者之間是競爭關系（互斥）
消費者與消費者之間是競爭關系（互斥）

我們簡單解釋一下三種關系。假如我們現在在一家超市，我們們想要買一箱牛奶。牛奶生產商（生產者）生產了牛奶，經超市工作人員把牛奶擺放在了貨架上，在這個過程過我們（消費者）不能買牛奶，要等待工作人員擺好貨物，所以此時生產者與消費者是互斥關系。工作人員擺好貨物后，我們（消費者）去購買，此時生產者與消費者是同步關系。?
一個貨架上只能擺一個品牌的貨物，怒能擺其他的，此時生產者與生產者之間是互斥關系。?
兩個或多個顧客不能同時買一個貨物，此時消費者與消費者之間是互斥關系。

我們可以用兩種方法實現生產者與消費者模型。

基于單鏈表的生產者消費者模型

我們用兩個線程分別表示生產者與消費者，用單鏈表表示緩沖區。?
生產者生產數據，插入到單鏈表的頭部。?
消費者消費數據，從單鏈表的頭部讀數據。

條件變量

條件變量是利用線程間共享的全局變量進行同步的一種機制，只要包括兩個動作：一個線程等待”條件變量的條件成立”而掛起；另一個線程使”條件成立(給出條件成立信號)。?
為了放置競爭，條件變量的使用總和一個互斥鎖結合在一起。

條件變量的類型為 pthread_cond_t.?
條件變量的初始化：

1.直接定義一個全局的條件變量，并利用宏PTHREAD_COND_INITIALIZER進行值得初始化。

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

2.調用函數pthread_cond_init

#include<pthread.h> pthread_cond_init (pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);

第一個參數即為我們動態分配的條件變量cond，除非創建一個非默認屬性的條件變量，否則第二個參數attr始終為NULL；?
注意：若不想講條件變量定義成全局的，必須以動態分配的方式創建。

pthread_cond_t *cond = (pthread_cond_t*)malloc(sizeof(pthread_cond_t));

注意：使用此種方式，先destroy條件變量，再free這塊空間。

3.銷毀條件變量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t* cond);

參數cond指針即指向我們創建的條件變量。?
4.等待?
我們使用pthread_cond_wait或pthread_cond_timewait函數等待條件變量變為真。

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict abstime); int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);

pthread _cond_wait，其第一個參數是指向條件變量的指針，第二個參數是一個指向互斥鎖的指針。在上面提到過，條件變量總是和一把互斥鎖協同使用的。目的是為了防止資源的競爭。?
生產者與消費者之間是同步互斥關系的，他們不能同時訪問緩沖區，所以我們需要一把鎖來約束他們。?
假如我們此時有兩個消費者A,B在等待資源，生產者申請到了”鎖“，并且生產了一個產品，釋放鎖。并發送信號告訴消費者你們可以來消費了。?
假如消費者A 率先搶到鎖，買走了產品。B再申請到鎖時，發現已經沒有產品了，只能等待條件變量為真時，買產品。此時鎖在B身上，如果B一直在等待，一直不釋放鎖時，會造成生產者申請不到鎖而造成“死鎖”。所以wait的第二個參數就是當消費者在申請到鎖時，條件變量為假時，及時的釋放鎖資源。?
wait函數是無條件等待。在條件變量為假時，會一直等下去。timedwait是有條件等待，它多定義了一個超時，超時值定義了我們愿意等待多長時間。它通過timespec決定。

5.發送信號

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

當生產者生產完畢后需要通知消費者。發送信號有兩種方式。signal是根據某種優先級喚醒一個等待者。broadcast是在資源充足的情況下進行廣播，喚醒所有等待者。

代碼實現：

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<pthread.h>typedef struct _list {struct _list *next;int _val; }product_list;product_list *head = NULL; static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; static pthread_cond_t need_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;void Init_list(product_list* list) {if(list != NULL){list -> next = NULL;list -> _val = 0;} }void* Consumer(void* _val) {product_list *p = NULL;for(;;){pthread_mutex_lock(&lock);while(head == NULL){pthread_cond_wait(&need_product,&lock);}p = head;head = head -> next;p -> next = NULL;pthread_mutex_unlock(&lock);printf("Consum success,val is:%d\n",p -> _val);free(p);}return NULL; }void* Product(void* _val) {for(;;){sleep(rand() % 2);product_list* p =malloc(sizeof(product_list));pthread_mutex_lock(&lock);Init_list(p);p -> _val = rand() % 1000;p -> next = head;head = p;pthread_mutex_unlock(&lock);printf("Call consumer! Product has producted,val is:%d\n",p->_val);pthread_cond_signal(&need_product);} }int main() {pthread_t t_product;pthread_t t_consumer;pthread_create(&t_product,NULL,Product,NULL);pthread_create(&t_consumer,NULL,Consumer,NULL);pthread_join(t_product,NULL);pthread_join(t_consumer,NULL);return 0; }

基于環形隊列的生產者消費者模型

除了基于單鏈表的生產者與消費者模型，我們還可以利用信號量實現生產者消費者模型。

原理

生產者在空格子上生產數據。?
消費者在有商品的格子上消費數據。?
注意：

生產者先進行生產。
當消費者沒有數據要消費時，需等待生產者生產。
當生產者把緩沖區充滿時，需等待消費者消費，出現空格子時在生產。?

操作函數

#include <semaphore.h>int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); int sem_destroy(sem_t *sem); int sem_wait(sem_t *sem); int sem_trywait(sem_t *sem); int sem_post(sem_t *sem);

初始化信號量sem_init，參數value為信號量的值，參數pshared一般設為0，表示信號量用于同一進程內線程間同步。摧毀信號量sem_destroy。P操作（申請資源）sem_wait，使信號量的值-1。V操作（釋放資源）sem_post，使信號量的值+1。sem_trywait是嘗試申請資源。

代碼實現

#include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<pthread.h> #include<semaphore.h>#define _SIZE_ 5 sem_t blanks; //表示格子的信號量 sem_t datas; //表示商品的信號量 int buf[_SIZE_] ={ 0 };//生產者 void* product(void* arg) {int i = 0;while(1){usleep(500000);sem_wait(&blanks); //生產者申請格子資源int data = rand()%1000;buf[i] = data;printf("Product is:%d\n",data);sem_post(&datas); //每生產一個商品就需要對商品信號量+1++i;i %= _SIZE_;} }//消費者 void* consumer(void* arg) {int i = 0;while(1){usleep(500000); sem_wait(&datas); //消費者申請商品資源printf("Consumer is%d\n",buf[i]);sem_post(&blanks); //買走一個商品，就多了一個空格子++i;i %= _SIZE_;} }int main() {sem_init(&blanks,0,_SIZE_);sem_init(&datas,0,0);pthread_t _consumer;pthread_t _product;pthread_create(&_consumer,NULL,consumer,NULL);pthread_create(&_product,NULL,product,NULL);pthread_join(_consumer,NULL);pthread_join(_product,NULL);sem_destroy(&blanks);sem_destroy(&datas);return 0; }

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux--生产者与消费者的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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