【Linux】条件变量及生产者消费者模型

为什么要将这两者放在一起进行呢？
主要是因为生产消费与条件变量关系密切，正好相辅相成。

条件变量：

条件变量的引出：

我们假设有一个自习室，这个自习室每次只能有一个人进入（使用挂在自习室门前钥匙），其他的人都要排队（排队之前都去试图找钥匙）。

今天小A起了个大早去拿钥匙，一直学到中午，此时饿得受不了了，于是想出去吃饭，他就走到门前打算归还钥匙，可是刚挂到门前就后悔了，因为她不想排队那么久才能继续学习，于是又拿着钥匙将门打开，但是又很饿，就这样循环往复，自己没有得到知识，外面的人也只能干排队等待。

与之对应：
自习室就相当于临界资源，钥匙就是锁，当其中一个线程拿到锁就可以访问临界资源，其他的线程都陷入阻塞状态。
由于线程A继续访问临界资源已经没有意义，但是竞争锁的能力很强，因为距离自己很近，造成了其他线程饥饿问题。

虽然线程A这样做合法，但是不道德。
我们此时需要制定规则，保证过程具有一定顺序性，也就是同步。
而条件变量就是确保这个顺序性的！

条件变量的解释与接口：

我们知道了条件变量的作用，但是还是并不清楚条件变量是什么。

我们再来一个例子进行解释。

假设有一个游戏，一个蒙眼拿盘子中的苹果，一个睁眼将苹果放入盘子。

在这里插入图片描述

现在我们就可以对应一下了。
铃铛就是条件变量，他是一个队列，可以让线程进行等待
他的唤醒有两种策略，全部唤醒与单个唤醒。

我们也就可以对应一下条件变量的接口了。
有些接口与锁很类似。
在这里插入图片描述
其中init是条件变量初始化的函数，与锁一致。
signal与broadcast就是通知接口，signal是一次通知一个，boardcast就是全部通知
wait就是去铃铛下等待，也就是去条件变量下等待。
timedwait我们不管。
desory就是销毁条件。

关于这里还有一个细节，为什么条件变量要把锁业传入？
后面会进行解释。

测试代码：

我们目前可以浅浅的使用一下条件变量，熟悉一下接口。

我们现在要实现一个场景，在这里插入图片描述
主要逻辑是先创建一批线程并进行管理，每个创建好的线程都去执行各自的任务，任务是个死循环，每次进入在条件变量下等待被唤醒。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

const int N = 5;

pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *Run(void *args)
{
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);

        std::cout << "i am new thread-" << reinterpret_cast<long long>(args) << std::endl;

        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
}

int main()
{
    pthread_t thds[N];
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        pthread_create(&thds[i], nullptr, Run, reinterpret_cast<void*>(i));
    }

    // 唤醒
    while (true)
    {
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&g_cond);
    }

    for (auto &val : thds)
    {
        pthread_join(val, nullptr);
    }

    return 0;
}

现象：
在这里插入图片描述

生产者消费者模型：

概念：

条件变量暂时说到这里，我们先来谈一谈这个模型。

我们依旧是拿具体场景进行解释：
这是最简单的一个图示
在这里插入图片描述
实际上，我们的生产者代表的就是供货商，超市是一块缓存，顾客就是消费者。

这个模型有3大优点：

协调忙闲不均：
当生产慢时而消费又多，我们就可以提前生产一批产品到超市；
当生产快时而消费又慢，我们就可以提前让消费者来到超市；
效率高：
你在买东西时，供应商在生产，达到了消费生产并发
你在处理你买的东西时，供应商把商品放入超市，达到放入处理并发
解耦：
生产者与消费者互不影响：比如一共有10个供货商，其中一个倒闭了，并不影响你买商品；当你吃泡面撒掉了，也不会影响供应商供货。

高度提炼一下可以简记为：1 2 3 原则。
1：一个交易场所（一段内存空间）
2：两种角色（生产角色，消费角色）
3：三种关系（生产与生产，消费与消费，生产与消费）
其中这三种关系分别为互斥，互斥，互斥&&同步。

相信前两个都很好理解，第三个呢？

比如供应商生产好商品还没录入数据就肯定不能被顾客拿走，这就是互斥。
这就像你在写数据，还没写完就被读走了一样，他们之间也是需要互斥的。
同样，如果超市没货了，我们要要依靠超市通知供应商，等有货了在反过来通知顾客。这就是同步。

代码实现Blocking Queue：

为什么写单对单？因为他简单！为什么不吃牛，因为他善！在这里插入图片描述
不过为什么单对单简单，因为我们的1 2 3原则中有三个关系，生产与生产，消费与消费，生产与消费，单对单就不需要考虑前两种，自然而言的简单了许多。
这里我们要解决一个历史问题：为什么wait要传入锁？

在多线程编程中阻塞队列(Blocking Queue)是一种常用于实现生产者和消费者模型的数据结构。
其与普通的队列区别在于，当队列为空时，从队列获取元素的操作将会被阻塞，直到队列中被放入了元素；
当队列满时，往队列里存放元素的操作也会被阻塞，直到有元素被从队列中取出(以上的操作都是基于不同的线程来说的，线程在对阻塞队列进程操作时会被阻塞)
在这里插入图片描述

那么我们现在就要有一个大概的轮廓：

生产者一直写，消费者一直读即可，很基础的框架，有了框架我们就知道如何下手实现主要功能了。

#include "BlockingQueue.hpp"

void *Consumer(void *args)
{
    BlockingQueue *bq = static_cast<BlockingQueue*>(args);

    while (true)
    {
        // 接收数据

        bp.Pop();

        // 处理数据
    }
}

void *Producer(void *args)
{
    BlockingQueue *bq = static_cast<BlockingQueue*>(args);

    while (true)
    {
        // 构建数据

        bp.Push();
    }
}

int main()
{
    BlockingQueue pc;
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, nullptr, Producer, static_cast<void*>(&pc));
    pthread_create(&t2, nullptr, Consumer, static_cast<void*>(&pc));

    pthread_join(t1, nullptr);
    pthread_join(t2, nullptr);

    return 0;
}

这是我们的阻塞队列，里面有对于一些点的详细注释，
比如cond为什么要传入锁？唤醒在哪个位置进行唤醒？
而又因为我们也不确定用户使用的是什么类型，设计为模板即可。

#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <queue>
#include <unistd.h>

template <class T>
class BlockingQueue
{
public:
    BlockingQueue(int cap = 5) : _cap(cap)
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond_p, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond_c, nullptr);
    }
    void Push(const T &val)
    {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);

        if (IsFull())
        {
            pthread_cond_wait(&_cond_p, &_mutex);
            // 所以这里的wait为什么要传锁就一目了然了
            // 因为如果你带着锁去wait，那么别的线程只会一直阻塞，不会拿到锁
            // 所以wait还要进行解锁，等被唤醒在继续抢锁。
        }
        // 出来了就代表肯定不是满的，此时push数据即可。
        _q.push(val);

        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
        pthread_cond_signal(&_cond_c);
        // 注意这里的唤醒放在解锁的上或下都可以，当放在下时，我们还是以单对单为例
        // 假设我们此时队列中还没有数据，消费者在wait中解锁阻塞，生产者生产完数据进行解锁再唤醒消费者，
        // 而这时消费者会和生产者再次抢锁，因为消费者会从wait中被唤醒需要抢锁，而生产者在lock中抢锁。
        // 如果消费者抢到了就罢了，直接进行写入数据；但是如果生产者抢到了，那就继续生产数据，
        // 我们假设生产者一直将队列写满，那么他就会在wait中进行阻塞，让消费者写入数据在解锁唤醒。
        // 同理，实际上因为锁的钳制，在解锁前或后唤醒都是可以的
    }
    void Pop(T *val)
    {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);

        if (IsEmpty())
        {
            pthread_cond_wait(&_cond_c, &_mutex);
        }
        // 出来了就代表此时数据肯定不为空，可以写给消费者了。
        *val = _q.front();
        _q.pop();

        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
        pthread_cond_signal(&_cond_p);
    }
    ~BlockingQueue()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        pthread_cond_destroy(&_cond_p);
        pthread_cond_destroy(&_cond_c);
    }

private:
    bool IsFull()
    {
        return _cap == _q.size();
    }
    bool IsEmpty()
    {
        return _q.empty();
    }

private:
    int _cap;
    std::queue<T> _q;
    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_cond_t _cond_p;
    pthread_cond_t _cond_c;
};

但是这里还有一个细节，我们判断空或满时使用了if，这在某些情况下是会出问题的。

比如当前队列中没有数据。
有一个生产者，两个消费者。
当生产者刚刚生产完，进行了broadcast唤醒，导致两个消费者线程都被唤醒我们假设生产者此时不会抢到锁，所以目前只会有一个消费者线程抢到锁，当其中一个A抢到后，进行写入数据并pop，这都是没有问题的，但是如果A解锁后被另一个消费者B抢到，那么B又会继续写入并进行pop。
问题就出现了，因为唯一的一个数据已经被A拿走了，此时就会出现err，所以我们要对if进行一下修改，改为while，这样就避免了因为B抢到锁而继续pop造成的err。

完整代码：


```cpp
#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <queue>
#include <unistd.h>

template <class T>
class BlockingQueue
{
public:
    BlockingQueue(int cap = 5) : _cap(cap)
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond_p, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond_c, nullptr);
    }
    void Push(const T &val)
    {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);

        while (IsFull())
        {
            pthread_cond_wait(&_cond_p, &_mutex);
            // 所以这里的wait为什么要传锁就一目了然了
            // 因为如果你带着锁去wait，那么别的线程只会一直阻塞，不会拿到锁
            // 所以wait还要进行解锁，等被唤醒在继续抢锁。
        }
        // 出来了就代表肯定不是满的，此时push数据即可。
        _q.push(val);

        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
        pthread_cond_signal(&_cond_c);
        // 注意这里的唤醒放在解锁的上或下都可以，当放在下时，我们还是以单对单为例
        // 假设我们此时队列中还没有数据，消费者在wait中解锁阻塞，生产者生产完数据进行解锁再唤醒消费者，
        // 而这时消费者会和生产者再次抢锁，因为消费者会从wait中被唤醒需要抢锁，而生产者在lock中抢锁。
        // 如果消费者抢到了就罢了，直接进行写入数据；但是如果生产者抢到了，那就继续生产数据，
        // 我们假设生产者一直将队列写满，那么他就会在wait中进行阻塞，让消费者写入数据在解锁唤醒。
        // 同理，实际上因为锁的钳制，在解锁前或后唤醒都是可以的
    }
    void Pop(T *val)
    {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);

        while (IsEmpty())
        {
            pthread_cond_wait(&_cond_c, &_mutex);
        }
        // 出来了就代表此时数据肯定不为空，可以写给消费者了。
        *val = _q.front();
        _q.pop();

        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
        pthread_cond_signal(&_cond_p);
    }
    ~BlockingQueue()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        pthread_cond_destroy(&_cond_p);
        pthread_cond_destroy(&_cond_c);
    }

private:
    bool IsFull()
    {
        return _cap == _q.size();
    }
    bool IsEmpty()
    {
        return _q.empty();
    }

private:
    int _cap;
    std::queue<T> _q;
    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_cond_t _cond_p;
    pthread_cond_t _cond_c;
};

main函数代码：

#include "BlockingQueue.hpp"

#include <random>

void *Consumer(void *args)
{
    BlockingQueue<int> *bq = static_cast<BlockingQueue<int>*>(args);

    while (true)
    {
        sleep(2);
        // 接收数据
        int val;
        bq->Pop(&val);

        // 处理数据
        std::cout << "Consumer receive a data: " << val << std::endl;
    }
}

void *Producer(void *args)
{
    BlockingQueue<int> *bq = static_cast<BlockingQueue<int>*>(args);

    while (true)
    {
        // 构建数据
        int val = rand() % 10 + 1;// [1, 10]
        bq->Push(val);

        std::cout << "Producer produce a data: " << val << std::endl;
    }
}

int main()
{
    srand(time(nullptr));
    BlockingQueue<int> pc;
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, nullptr, Producer, static_cast<void*>(&pc));
    pthread_create(&t2, nullptr, Consumer, static_cast<void*>(&pc));

    pthread_join(t1, nullptr);
    pthread_join(t2, nullptr);

    return 0;
}

测试结果：

在这里插入图片描述
观察到生产者生产顺序为1 9 6 6 6…而消费者也正好是1 9 6 6 6…

注意：我们的生产者消费者不仅仅只能传递最简单的内置类型，也可以进行传递自定义类型！可调用对象也是可以的！

一些问题：

我们的多生产多消费不需要修改代码，因为锁已经帮我们搞定了生产与生产，消费与消费之间的关系。

为什么明明一次只能有一个线程访问队列，但还是说生产消费模型效率高？
因为我们不能只关注生产与消费在缓存的时间！
我们的生产任务或数据需要时间，处理任务或数据需要时间。
也就是说：当其中一个生产者在放任务，其他的生产者在生产任务；
其中一个消费者在拿任务，其他消费者在处理任务。
这种并发才让我们的效率变高!

为什么要在锁之后再进行条件变量wait？
这是因为我们push或pop之前一定会临街资源，临界资源一定是被锁保护起来的，所以设计者才会这样设计接口，我们也才要这样使用。

完~