【Linux】生产者消费者模型介绍

基本概念

说起生产者消费者模型，我们将该模型理解为商店的供货者和前来购买商品的消费者。

他们需要通过商店提供的缓冲区（货架）来进行货物的摆放和购买。

假设没有这个货架，那么生产者只能生产一个商品，直到等到消费者购买后，才可以进行生产，这样的效率是很低的。

我们可以通过一个图片来理解此模型

三种关系

1、生产者和生产者

互斥关系，一个货架上不能同时让两个或者多个生产者来放入数据

2、消费者和消费者

互斥关系，两个或多个消费者不能同时获取货架上的一个商品

3、生产者和消费者

互斥和同步的关系。消费者在消费时，生产者不能放入。同样，生产者在放商品时，消费者不能拿走，这说明了是互斥；而除此之外，生产者必须先生产商品，才可以让消费者消费，这样的按照顺序访问资源的关系称之为同步。

利用单链表进行模型模拟

原理

用两个线程来分别表示生产者和消费者，用单链表来表示中间的缓冲区

当生产者生产数据时，将新的数据放入单链表的头部。

当消费者消费数据时，将头部的数据弹出。

所用函数

pthread_mutex_t

初始化函数

加锁函数

lock为加锁，unlock为解锁

如果一个线程想要获取锁，又不想挂起等待，则调用trylock

条件变量

pthread_cond_t

条件变量的初始化

线程等待

操作方法 

1、释放Mutex
 

2、阻塞等待
 

3、当被唤醒时,重新获得Mutex并返回。 

唤醒等待的消费者线程

代码实现

#include<stdio.h>#include<pthread.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<assert.h>pthread_mutex_t mylock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_cond_t mycond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//定义节点的结构体typedef struct node{int _data;struct node* _next;}node,*pNode;//定义链表的结构体typedef struct LinkList{node* phead;}LinkList,*pLinkList;//初始化头节点void InitList(pLinkList plist){assert(plist);plist->phead = NULL;}//初始化并返回新的节点pNode buyNewNode(int data){pNode newnode = (pNode)malloc(sizeof(node));if(newnode == NULL){perror("malloc");exit(1);}newnode->_data = data;newnode->_next = NULL;return newnode;}//头节点前进行插入void pushFront(pLinkList pList,int data){//产生新的节点pNode newNode = buyNewNode(data);//判断有无元素if(pList->phead == NULL){pList->phead = newNode;return;}//进行头插pNode pFristNode = pList->phead;newNode->_next = pFristNode;pList->phead = newNode;}//弹出一个头节点,data用来保存弹出的元素void popFront(pLinkList pList,int* data){assert(pList);pNode delNode = pList->phead;if(delNode == NULL)return;*data = delNode->_data;pList->phead = delNode->_next;delNode->_next = NULL;free(delNode);delNode = NULL;}//销毁单链表void DestroyList(pLinkList pList){assert(pList);pNode cur = pList->phead;pNode delNode = NULL;while(cur){delNode = cur;cur = cur->_next;delNode->_next = NULL;free(delNode);}pList->phead = NULL;}//打印单链表中的内容void ShowList(pLinkList pList){assert(pList);pNode cur = pList->phead;while(cur){printf("%d ",cur->_data);cur = cur->_next;}printf("\n");}void* producterThread(void* arg){pLinkList list = (pLinkList)arg;int data = 0;while(1){sleep(1);pthread_mutex_lock(&mylock);//访问临界区前进行加锁data = rand()%100;pushFront(list,data);//生产者进行生产pthread_cond_signal(&mycond);//生产完毕后唤醒在该条件pthread_mutex_unlock(&mylock);//访问完毕后解锁printf("生产者生产了: %d \n",data);}}void* consumerThread(void* arg){pLinkList list = (pLinkList)arg;int data = 0;while(1){sleep(1);pthread_mutex_lock(&mylock);//访问临界区前进行加锁while(list->phead == NULL)//如果缓存区中没有数据，则进行等待{pthread_cond_wait(&mycond,&mylock);}popFront(list,&data);//消费者进行消费pthread_mutex_unlock(&mylock);//访问完毕，进行解锁printf("消费者进行消费 : %d\n",data);}}int main(){LinkList list;InitList(&list);//创建消费者和生产者两个线程pthread_t tid1,tid2;pthread_create(&tid1,NULL,producterThread,(void*)&list);pthread_create(&tid2,NULL,consumerThread,(void*)&list);//等待线程的结束回收进程pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);DestroyList(&list);return 0;}

运行结果

基于环形队列的多生产者多消费者模型

原理

1、生产者先进行生产

2、消费者消费的数据不能够超过生产者

3、生产者生产数据不能比消费者快一圈

图解

代码实现

#include<stdio.h>#include<semaphore.h>//信号量包含的头文件#include<pthread.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#define _SIZE_ 64int ringBuf[_SIZE_];//定义环形队列，64为环形队列的长度//定义两个信号量sem_t semBlack;//格子sem_t semData;//数据sem_t proLock;//生产者之间的互斥sem_t conLock;//消费者之间的互斥//消费者void* consumer(void* arg){//成功返回0,失败返回错误码pthread_detach(pthread_self());static int i = 0;int id = (int)arg;while(1){//sleep(1);usleep(1000);sem_wait(&semData);//对于临界区数据进行P操作sem_wait(&conLock);//对于消费者互斥锁进行P操作printf("消费者 %d 消费了: %d  , tid : %lu\n",id,ringBuf[i++],pthread_self());i %= _SIZE_;sem_post(&conLock);//对于消费者互斥锁进行V操作sem_post(&semBlack);//对于临界区数据进行V操作}}void* producter(void* arg){pthread_detach(pthread_self());static int i = 0;int id = (int)arg;while(1){sleep(1);//usleep(1000);sem_wait(&semBlack);//对临界区数据进行P操作sem_wait(&proLock);//对生产者互斥锁进行P操作int num = rand()%100;ringBuf[i++] = num;printf("生产者 %d 生产了 : %d , tid : %lu\n",id, num ,pthread_self());i %= _SIZE_;sem_post(&proLock);//对生产者互斥锁进行V操作sem_post(&semData);//对临界区数据进行V操作}}int main(){//分别定义两个生产者和两个消费者pthread_t con0,con1,pro0,pro1;//初始化信号量sem_init(&semData,0,0);sem_init(&semBlack,0,_SIZE_);sem_init(&proLock,0,1);sem_init(&conLock,0,1);int i = 0;pthread_create(&pro0,NULL,producter,(void*)i);pthread_create(&con0,NULL,consumer,(void*)i);i = 1;pthread_create(&pro1,NULL,producter,(void*)i);pthread_create(&con1,NULL,consumer,(void*)i);//销毁信号量sem_destroy(&semBlack);sem_destroy(&semData);pthread_join(pro0,NULL);pthread_join(con0,NULL);return 0;}

运行结果

如果将代码中注释的时间做修改，使得生产者的生产速度高于消费者，那么运行结果为下图