生产者消费者问题(Linux多线程下两种实现)

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 5pthread_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(&notfull, &mutex);//等待队不满}top = (top+1) % MAX;printf("now top is %d\n", top);pthread_cond_signal(&notempty);//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(&notempty, &mutex);//等待队不空}bottom = (bottom+1) % MAX;printf("now bottom is %d\n", bottom);pthread_cond_signal(&notfull);//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