生产者-消费者问题

 生产者-消费者是很有意思的一种算法。它的存在主要是两个目的，第一就是满足生产者对资源的不断创造；第二就是满足消费者对资源的不断索取。当然，因为空间是有限的，所以资源既不能无限存储，也不能无限索取。

 

生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，该问题最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的信号量机制。在同一个进程地址空间内执行的两个线程。生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。 

以下linux程序展示的是一个生产者和一个消费者共享一个NBUFF大小的缓冲区进行同步的演示

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1. #include<stdio.h>   
2. #include<string.h>   
3. #include<pthread.h>   
4. #include<unistd.h>   
5. #include<semaphore.h>   
6. #include<fcntl.h>   
7. #include<sys/stat.h>   
8.   
9.   
10. #define NBUFF 10 // 缓冲区大小   
11.   
12. #define SEM_MUTEX "mutex"    
13. #define SEM_NEMPTY "nempty"   
14. #define SEM_NSTORED "nstored"    
15.   
16. static int nitems = NBUFF;  
17.   
18. struct _shared  
19. {  
20.         int buff[ NBUFF ]; // 缓冲区大小  
21.         sem_t* mutex;  // 访问缓冲区的互斥锁  
22.         sem_t* nempty; // 当前空闲的缓冲区个数   
23.         sem_t* nstored; // 当前缓冲区可用个数  
24. } shared; // 线程共享量   
25.   
26. void* producer( void* );  
27. void* consumer( void* );  
28.   
29. int main( int argc, char** argv )  
30. {  
31.         pthread_t tid_producer, tid_consumer;  
32.         memset( shared.buff, 0, sizeof( shared.buff ) );  
33.         shared.mutex = sem_open( SEM_MUTEX, O_CREAT | O_EXCL, 0644, 1 );  
34.         shared.nempty = sem_open( SEM_NEMPTY, O_CREAT | O_EXCL, 0644, NBUFF );  
35.         shared.nstored = sem_open( SEM_NSTORED, O_CREAT | O_EXCL, 0644, 0 );  
36.   
37.         pthread_setconcurrency( 2 );  
38.   
39.         // create producer and consumer  
40.         pthread_create( &tid_producer, NULL, producer, NULL );  
41.         pthread_create( &tid_consumer, NULL, consumer, NULL );  
42.   
43.         // wait for two threads  
44.         pthread_join( tid_producer, NULL );  
45.         pthread_join( tid_consumer, NULL );  
46.   
47.         // remove semaphores   
48.         sem_unlink( SEM_MUTEX );  
49.         sem_unlink( SEM_NEMPTY );  
50.         sem_unlink( SEM_NSTORED );  
51.   
52.         return 0;  
53. }  
54.   
55. void* producer( void* arg )  
56. {  
57.         int i ;  
58.         for ( i = 0; i < nitems; i++ )  
59.         {  
60.                 sem_wait( shared.nempty ); // P( nempty )  
61.                 sem_wait( shared.mutex );  // P( mutex )  
62.   
63.                 shared.buff[ i % NBUFF ] = i;  
64.                 printf( "producer: %d\n", shared.buff[ i % NBUFF ] );  
65.   
66.                 sem_post( shared.mutex ); // V( mutex )  
67.                 sem_post( shared.nstored ); // V( nstored )  
68.   
69.                 sleep( 1 ); // 暂停，唤醒consumer  
70.         }  
71.   
72.         return ( void* )0;  
73. }  
74.   
75. void* consumer( void* arg )  
76. {  
77.         int i;  
78.         for ( i = 0; i < nitems; i++ )  
79.         {  
80.                 sem_wait( shared.nstored ); // P( nstored )  
81.                 sem_wait( shared.mutex );  // P( mutex )  
82.   
83.                 printf( "consumer: buff[%d] = %d\n", i, shared.buff[ i % NBUFF ] );  
84.   
85.                 sem_post( shared.mutex ); // V( mutex )  
86.                 sem_post( shared.nempty );  // V( empty )  
87.   
88.                 sleep( 2 ); // 暂停，唤醒producer  
89.         }  
90.   
91.         return ( void* )0;  
92. }  

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<pthread.h>#include<unistd.h>#include<semaphore.h>#include<fcntl.h>#include<sys/stat.h>#define NBUFF 10 // 缓冲区大小#define SEM_MUTEX "mutex" #define SEM_NEMPTY "nempty" #define SEM_NSTORED "nstored" static int nitems = NBUFF;struct _shared{        int buff[ NBUFF ]; // 缓冲区大小        sem_t* mutex;  // 访问缓冲区的互斥锁        sem_t* nempty; // 当前空闲的缓冲区个数        sem_t* nstored; // 当前缓冲区可用个数} shared; // 线程共享量void* producer( void* );void* consumer( void* );int main( int argc, char** argv ){        pthread_t tid_producer, tid_consumer;        memset( shared.buff, 0, sizeof( shared.buff ) );        shared.mutex = sem_open( SEM_MUTEX, O_CREAT | O_EXCL, 0644, 1 );        shared.nempty = sem_open( SEM_NEMPTY, O_CREAT | O_EXCL, 0644, NBUFF );        shared.nstored = sem_open( SEM_NSTORED, O_CREAT | O_EXCL, 0644, 0 );        pthread_setconcurrency( 2 );        // create producer and consumer        pthread_create( &tid_producer, NULL, producer, NULL );        pthread_create( &tid_consumer, NULL, consumer, NULL );        // wait for two threads        pthread_join( tid_producer, NULL );        pthread_join( tid_consumer, NULL );        // remove semaphores        sem_unlink( SEM_MUTEX );        sem_unlink( SEM_NEMPTY );        sem_unlink( SEM_NSTORED );        return 0;}void* producer( void* arg ){        int i ;        for ( i = 0; i < nitems; i++ )        {                sem_wait( shared.nempty ); // P( nempty )                sem_wait( shared.mutex );  // P( mutex )                shared.buff[ i % NBUFF ] = i;                printf( "producer: %d\n", shared.buff[ i % NBUFF ] );                sem_post( shared.mutex ); // V( mutex )                sem_post( shared.nstored ); // V( nstored )                sleep( 1 ); // 暂停，唤醒consumer        }        return ( void* )0;}void* consumer( void* arg ){        int i;        for ( i = 0; i < nitems; i++ )        {                sem_wait( shared.nstored ); // P( nstored )                sem_wait( shared.mutex );  // P( mutex )                printf( "consumer: buff[%d] = %d\n", i, shared.buff[ i % NBUFF ] );                sem_post( shared.mutex ); // V( mutex )                sem_post( shared.nempty );  // V( empty )                sleep( 2 ); // 暂停，唤醒producer        }        return ( void* )0;}

// 编译

[cpp] view plaincopyprint?

1. kennie@cbib:~/pthreadDIR$ g++ -lpthread -o producer_consumer.out producer_consumer.cpp  

kennie@cbib:~/pthreadDIR$ g++ -lpthread -o producer_consumer.out producer_consumer.cpp

// 运行结果

[cpp] view plaincopyprint?

1. producer: 0  
2. consumer: buff[0] = 0  
3. producer: 1  
4. consumer: buff[1] = 1  
5. producer: 2  
6. producer: 3  
7. consumer: buff[2] = 2  
8. producer: 4  
9. producer: 5  
10. consumer: buff[3] = 3  
11. producer: 6  
12. producer: 7  
13. consumer: buff[4] = 4  
14. producer: 8  
15. producer: 9  
16. consumer: buff[5] = 5  
17. consumer: buff[6] = 6  
18. consumer: buff[7] = 7  
19. consumer: buff[8] = 8  
20. consumer: buff[9] = 9