多线程9:生产者消费者问题
来源:互联网 发布:linux架设暗黑2 编辑:程序博客网 时间:2024/05/23 21:50
这个生产者消费者题目不仅常用于操作系统的课程设计,也常常在程序员和软件设计师考试中出现。并且在计算机考研的专业课考试中也是一个非常热门的问题。因此现在就针对这个问题进行详细深入的解答。
首先来简化问题,先假设生产者和消费者都只有一个,且缓冲区也只有一个。这样情况就简便多了。
第一.从缓冲区取出产品和向缓冲区投放产品必须是互斥进行的。可以用关键段和互斥量来完成。
第二.生产者要等待缓冲区为空,这样才可以投放产品,消费者要等待缓冲区不为空,这样才可以取出产品进行消费。并且由于有二个等待过程,所以要用二个事件或信号量来控制。
考虑这二点后,代码很容易写出来。另外为了美观起见,将消费者的输出颜色设置为彩色,有关如何在控制台下设置彩色输出请参阅《VC控制台颜色设置》。
//1生产者 1消费者 1缓冲区//使用二个事件,一个表示缓冲区空,一个表示缓冲区满。//再使用一个关键段来控制缓冲区的访问#include <stdio.h>#include <process.h>#include <windows.h>//设置控制台输出颜色BOOL SetConsoleColor(WORD wAttributes){HANDLE hConsole = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);if (hConsole == INVALID_HANDLE_VALUE)return FALSE;return SetConsoleTextAttribute(hConsole, wAttributes);}const int END_PRODUCE_NUMBER = 10; //生产产品个数int g_Buffer; //缓冲区//事件与关键段CRITICAL_SECTION g_cs;HANDLE g_hEventBufferEmpty, g_hEventBufferFull;//生产者线程函数unsigned int __stdcall ProducerThreadFun(PVOID pM){for (int i = 1; i <= END_PRODUCE_NUMBER; i++){//等待缓冲区为空WaitForSingleObject(g_hEventBufferEmpty, INFINITE);//互斥的访问缓冲区EnterCriticalSection(&g_cs);g_Buffer = i;printf("生产者将数据%d放入缓冲区\n", i);LeaveCriticalSection(&g_cs);//通知缓冲区有新数据了SetEvent(g_hEventBufferFull);}return 0;}//消费者线程函数unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM){volatile bool flag = true;while (flag){//等待缓冲区中有数据WaitForSingleObject(g_hEventBufferFull, INFINITE);//互斥的访问缓冲区EnterCriticalSection(&g_cs);SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);printf(" 消费者从缓冲区中取数据%d\n", g_Buffer);SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);if (g_Buffer == END_PRODUCE_NUMBER)flag = false;LeaveCriticalSection(&g_cs);//通知缓冲区已为空SetEvent(g_hEventBufferEmpty);Sleep(10); //some other work should to do}return 0;}int main(){printf(" 生产者消费者问题 1生产者 1消费者 1缓冲区\n");printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");InitializeCriticalSection(&g_cs);//创建二个自动复位事件,一个表示缓冲区是否为空,另一个表示缓冲区是否已经处理g_hEventBufferEmpty = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL);g_hEventBufferFull = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);const int THREADNUM = 2;HANDLE hThread[THREADNUM];hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL);hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE);CloseHandle(hThread[0]);CloseHandle(hThread[1]);//销毁事件和关键段CloseHandle(g_hEventBufferEmpty);CloseHandle(g_hEventBufferFull);DeleteCriticalSection(&g_cs);return 0;}
运行结果如下所示:
可以看出生产者与消费者已经是有序的工作了。
然后再对这个简单生产者消费者问题加大难度。将消费者改成2个,缓冲池改成拥有4个缓冲区的大缓冲池。
如何来思考了这个问题了?首先根据上面分析的二点,可以知道生产者和消费者由一个变成多个的影响不大,唯一要注意的是缓冲池变大了,回顾一下《秒杀多线程第八篇 经典线程同步 信号量Semaphore》中的信号量,不难得出用二个信号量就可以解决这种缓冲池有多个缓冲区的情况——用一个信号量A来记录为空的缓冲区个数,另一个信号量B记录非空的缓冲区个数,然后生产者等待信号量A,消费者等待信号量B就可以了。因此可以仿照上面的代码来实现复杂生产者消费者问题,示例代码如下:
运行结果如下图所示:
输出结果证明各线程的同步和互斥已经完成了。
下面再用互斥锁和信号量来完成,代码:
#include<iostream>#include <process.h>#include <windows.h>using namespace std;const int PRODUCT_NUMBER=10;//生产者生产的产品总量const int BUFFER_SIZE=4; //缓冲区个数int g_Buffer[BUFFER_SIZE]; int g_i,g_j,g_count;HANDLE g_hBufferFull,g_hBufferEmpty,g_Mutex;BOOL SetConsoleColor(WORD dw){HANDLE hConsole=GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);if (hConsole==INVALID_HANDLE_VALUE){return FALSE;}return SetConsoleTextAttribute(hConsole,dw);}unsigned int __stdcall ProducerThread(LPVOID pM){for (int i=1;i<=PRODUCT_NUMBER;i++){WaitForSingleObject(g_hBufferEmpty,INFINITE);//EnterCriticalSection(&g_CS);WaitForSingleObject(g_Mutex,INFINITE);//进入互斥区g_Buffer[g_i]=i;cout<<"生产者"<<GetCurrentThreadId()<<"向缓冲区"<<g_i<<"中写入数据"<<i<<endl;g_i=(g_i+1)%BUFFER_SIZE;//LeaveCriticalSection(&g_CS);ReleaseMutex(g_Mutex);////离开互斥区//SetEvent(g_hBufferFull);ReleaseSemaphore(g_hBufferFull,1,NULL);}return 0;}unsigned int __stdcall ConsumerThread(LPVOID pM){bool flag=TRUE;while (flag){WaitForSingleObject(g_hBufferFull,INFINITE);//EnterCriticalSection(&g_CS);WaitForSingleObject(g_Mutex,INFINITE);SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);cout<<"消费者"<<GetCurrentThreadId()<<"从冲区"<<g_j<<"中取出数据"<<g_Buffer[g_j]<<endl;g_j=(g_j+1)%BUFFER_SIZE;SetConsoleColor(FOREGROUND_RED|FOREGROUND_GREEN|FOREGROUND_BLUE); if (++g_count==PRODUCT_NUMBER){flag=FALSE;SetConsoleColor(FOREGROUND_RED);cout<<"生产消费完成,程序结束"<<endl;SetConsoleColor(FOREGROUND_RED|FOREGROUND_GREEN|FOREGROUND_BLUE); }//LeaveCriticalSection(&g_CS);ReleaseMutex(g_Mutex);//SetEvent(g_hBufferEmpty);ReleaseSemaphore(g_hBufferEmpty,1,NULL);}return 0;}int main(){//InitializeCriticalSection(&g_CS);/*g_hBufferFull=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL);g_hBufferEmpty=CreateEvent(NULL,FALSE,TRUE,NULL);*/g_Mutex=CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);g_hBufferFull=CreateSemaphore(NULL,0,4,NULL);g_hBufferEmpty=CreateSemaphore(NULL,4,4,NULL);const int THREADNUM = 2; HANDLE hThread[THREADNUM];g_i=0,g_j=0,g_count=0;hThread[0]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,ProducerThread,NULL,0,NULL);hThread[1]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,ConsumerThread,NULL,0,NULL);WaitForMultipleObjects(THREADNUM,hThread,TRUE,INFINITE);for (int i=0;i<THREADNUM;i++){CloseHandle(hThread[i]);}CloseHandle(g_Mutex);CloseHandle(g_hBufferFull);CloseHandle(g_hBufferEmpty);return 0;}
至此,生产者消费者问题已经圆满的解决了,下面作个总结:
1.首先要考虑生产者与消费者对缓冲区操作时的互斥。
2.不管生产者与消费者有多少个,缓冲池有多少个缓冲区。都只有二个同步过程——分别是生产者要等待有空缓冲区才能投放产品,消费者要等待有非空缓冲区才能去取产品。
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