【linux】线程同步和生产消费者模型

线程同步

当我们多线程访问同一个临界资源时，会造成并发访问一个临界资源，使得临界资源数据不安全，我们引入了锁的概念，解决了临界资源访问不安全的情况，对于线程而言竞争锁的能力有强有弱，对于之前就抢到锁的线程，当他释放锁后，由于不用做什么准备工作，他竞争锁的能力很强，导致这个线程反复的争夺锁，来访问临界资源，导致其他线程处于饥饿状态
同步：同步问题是保证数据安全的情况下，让我们的线程具有一定的顺序性

解决方案

条件变量的引入
当多线程来访问临界资源时，首先不会让他去访问临界资源，而是将这个线程放入条件变量维护的队列中去，等待临界资源就绪，举个例子，一个幼儿园里面，到了饭点，而小朋友们是每一个线程，而饭就是临界资源，每次只能有一个孩子在餐厅里面打饭，这就是锁，每个孩子跑步速度不一样，竞争锁的能力不一样，为了避免一个孩子一直在餐厅不走，一直吃饭，幼儿园老师做了这个规定，每个小朋友吃饭必须去排队，刚吃完的孩子还想吃的话，必须排队在队的后面。而条件变量维护的队列类比与排队，每个线程访问完临界资源之后必须在条件变量维护的队列后面排队
在这里插入图片描述

条件变量接口介绍

1、主要应用函数：

pthread_cond_init()函数
功能：初始化一个条件变量
pthread_cond_wait()函数
功能：阻塞等待一个条件变量
pthread_cond_signal()函数
功能：唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程
pthread_cond_broadcast()函数
功能：唤醒全部阻塞在条件变量上的线程
pthread_cond_destroy()函数
功能：销毁一个条件变量

函数分析

1.初始化一个条件变量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

参2：attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可

也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

2.阻塞等待一个条件变量

 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

函数作用：

阻塞等待条件变量cond（参1）满足
释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

3.唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

4.唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

5.销毁一个条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

代码实现线程同步

1.makefile编写

mycond:mycond.cc
	g++ -o mycond mycond.cc -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
	rm -f mycond

2.mycond.cc

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
using namespace std;

int cnt=0;
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void*fun(void*args)
{
  pthread_detach(pthread_self());
  uint64_t num=(uint64_t)args;
  cout<<"pthread:"<<num<<"create success"<<endl;
  while(1)
  { pthread_mutex_lock(&mutex);
   cout<<"pthread:"<<num<<",cnt:"<<cnt++<<endl;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
  }

}
int main()
{

for( uint64_t i=0;i<5;i++)
{
   pthread_t tid;
   pthread_create(&tid,nullptr,fun,(void*)i);
}
while(1)
{


    
}
}

代码解释：
初始化一个锁，一个条件变量，临界资源cnt,每个线程在自己要执行的fun函数内，需要访问临界资源cnt,对cnt++,在主函数中创建5个线程，为了防止主线程退出，所有线程都退出，所以让主线程死循环，在每个fun函数里面实现线程分离，不需要主线程来等待回收其他线程，让操作系统自己回收

在这里插入图片描述
由于线程2竞争锁的能力强，每次都是线程2来访问临界资源。
为了解决一个线程竞争锁的能力强，使用线程同步，先实现代码在来解释

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
using namespace std;

int cnt=0;
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void*fun(void*args)
{
  pthread_detach(pthread_self());
  uint64_t num=(uint64_t)args;
  cout<<"pthread:"<<num<<"create success"<<endl;
  while(1)
  { pthread_mutex_lock(&mutex);
   pthread_cond_wait(&cond,&mutex);//新增行
   cout<<"pthread:"<<num<<",cnt:"<<cnt++<<endl;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    
  }

}
int main()
{

for( uint64_t i=0;i<5;i++)
{
   pthread_t tid;
   pthread_create(&tid,nullptr,fun,(void*)i);
}
while(1)
{
sleep(1);//新增行
pthread_cond_signal(&cond);//新增行
cout<<"signal one thread..."<<endl;    //新增行
}
}

pthread_cond_wait函数可以将刚申请锁的线程让其加入队列，让其休眠，该函数还会让对应的线程释放锁，这样一轮下来，所有想访问临界资源的线程都会出现在条件变量维护的队列中，等待唤醒，一次唤醒一个，让他们去访问临界资源，在主线程中来唤醒在维护条件变量对应的队列中其他线程，去访问临界资源，sleep作用防止打印太快看不到效果。
在这里插入图片描述
五个线程按照顺序去访问临界资源

cp问题（生产消费者模型）

在这里插入图片描述
此时有三种关系：
生产者和生产者：互斥
消费者和生产者：互斥，同步（一个放，一个拿，肯定要保证顺序问题）
消费者和消费者：互斥
3种关系：生产者和生产者，消费者和消费者，生产者和消费者
2种角色：生产者和消费者
1个交易场所：特定结构的内存空间

特点：支持忙闲不均（对比冯诺依曼结构）
生产和消费进行解耦

代码实现生产消费者模型

makefile实现

cp:cp.cc
  g++ -o cp cp.cc -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
  rm -f cp

cp.cc(未完成)


#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include"blockqueue.hpp"
#include<unistd.h>

using namespace std;
void*consumer(void*args)
{
Blockqueue<int>*cq=static_cast<Blockqueue<int>*>(args);
while(1)
{
//消费数据，将队列中的数据pop
int data=cq->pop();
cout<<"消费了一个数据："<<data<<endl;
}
}
void* productor(void*args)
{
 int data=0;
Blockqueue<int>*pq=static_cast<Blockqueue<int>*>(args);
while(1)
{ sleep(1);

 //生产数据放到队列中去
  pq->push(data);
  cout<<"生产了一个数据："<< data++ <<endl;
}

}




int main()
{
pthread_t p,c;
Blockqueue<int>*st=new Blockqueue<int>();


 pthread_create(&p,nullptr,productor,st);
 pthread_create(&c,nullptr,consumer,st);


pthread_join(p,nullptr);
pthread_join(c,nullptr);//线程等待回收
delete st;
return 0;

}

在这里插入图片描述
主线程创建两个线程，一个是生产者，一个是消费者，生产者将数据插入在阻塞队列中，消费者将数据取出阻塞队列中的数据，阻塞队列相当于临界资源，主线程中new一个阻塞队列对象作为共享的资源，在各个线程要执行的函数里面，pthread_create最后一个参数可以是资源的起始地址，我们可以传阻塞队列类对象过去，让生产者线程和消费者线程都可以访问到
blockqueue.hpp

#pragma once
#include<iostream>
#include<queue>
#include<pthread.h>
using namespace std;

template<class T>
class Blockqueue
{

static const int defalutnum=5;
public:
Blockqueue(int maxcap=defalutnum)
:maxcap_(maxcap)
 {
  pthread_mutex_init(&mutex_,nullptr);
  pthread_cond_init(&p_cond_,nullptr);
    pthread_cond_init(&c_cond_,nullptr);
 }
T pop()
{
  T out=q_.front();
  q_.pop();
  return out;
}
void push(const T&in)
{
q_.push(in);
}
~Blockqueue()
 {
  pthread_mutex_destroy(&mutex_);
  pthread_cond_destroy(& p_cond_);
    pthread_cond_destroy(& c_cond_);
    
 }
private:
queue<T>q_;
int maxcap_;
pthread_mutex_t mutex_;
pthread_cond_t p_cond_;
pthread_cond_t c_cond_;

};

由于该阻塞队列是两者共享的，临界资源，防止并发访问，要实现安全保护，所以要使用锁，因为生产者和消费者都会对临界资源访问，两者对锁的竞争能力不一样，可能会导致饥饿问题，使用线程同步，所以要用条件变量
maxcap为队列最大可以放几个值，这是我们规定的，为了解决忙而不均，同步问题，达到最大，就让生产者线程休眠，如果阻塞队列的个数为0，就让消费者线程休眠，所以这里需要两个条件变量分别维护。

现在要解决的是临界资源的保护，保证多线程并发安全，使用锁，还要就是两个线程竞争锁的能力不同，可能导致另一个线程饥饿问题，使用线程同步
在这里插入图片描述

blockqueue.hpp

#pragma once
#include<iostream>
#include<queue>
#include<pthread.h>
using namespace std;

template<class T>
class Blockqueue
{

static const int defalutnum=5;
public:
Blockqueue(int maxcap=defalutnum)
:maxcap_(maxcap)
 {
  pthread_mutex_init(&mutex_,nullptr);
  pthread_cond_init(&p_cond_,nullptr);
   pthread_cond_init(&c_cond_,nullptr);
   max_water=(maxcap*2)/3;
   min_water=maxcap/3;
 }
T pop()
{ pthread_mutex_lock(&mutex_);
 while(q_.size()==0)
    {
    pthread_cond_wait(&c_cond_,&mutex_);
    }
  T out=q_.front();
  q_.pop();
  if(q_.size()<min_water)
  pthread_cond_signal(&p_cond_);
  pthread_mutex_unlock(&mutex_);
  return out;
}
void push(const T&in)
{
pthread_mutex_lock(&mutex_);
while(q_.size()==maxcap_)
{pthread_cond_wait(&p_cond_,&mutex_);}
q_.push(in);
if(q_.size()>max_water)
pthread_cond_signal(&c_cond_);
pthread_mutex_unlock(&mutex_);
}
~Blockqueue()
 {
  pthread_mutex_destroy(&mutex_);
  pthread_cond_destroy(&p_cond_);
   pthread_cond_destroy(&c_cond_);

    
 }
private:
queue<T>q_;
int maxcap_;
pthread_mutex_t mutex_;
pthread_cond_t p_cond_;
pthread_cond_t c_cond_;
int max_water;
int min_water;
};