你送出去的每颗糖都去了该去的地方，
其实地球是圆的，
你做的好事终会回到你身上。
--- 何炅 ---
基于信号量的环形队列
- 1 信号量
- 2 框架构建
- 3 代码实现
- 4 测试运行
1 信号量
信号量本质是一个计数器，可以在初始化时对设置资源数量，进程 / 线程 可以获取信号量来对资源进行操作和结束操作可以释放信号量！
用于多进程 / 多线程 对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源(信号量也属于临界资源)，使得资源在一个时刻只有一个进程独享。 在资源只有一个时就一把互斥锁！
信号量只能进行两种操作获取等待和释放信号，即PV操作：
- P(sv):我们将申请获取信号量称为P操作，申请信号量的本质就是申请获得临界资源中某块资源的使用权限，当申请成功时临界资源中资源的数目应该减去一。所以P操作的本质就是让计数器减一，如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行。对应的接口为,使用很简单：
#include <semaphore.h> //阻塞等待获取 int sem_wait(sem_t *sem); //只进行一次获取，非阻塞等待 int sem_trywait(sem_t *sem); //时间片内进行等待，超出就退出阻塞！ int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout); - V(sv):我们将释放信号量称为V操作，释放信号量的本质就是归还临界资源中某块资源的使用权限，当释放成功时临界资源中资源的数目就应该加一。所以V操作本质就是让计数器加一，如果有其他进程 / 线程因等待sv而被挂起，就发送信号让它恢复运行，如果没有进程 / 线程因等待信号量而挂起，就给他加1。对应接口为：
#include <semaphore.h> //释放获取的信号量 int sem_post(sem_t *sem);
PV操作都是原子的，不用担心线程安全！此外信号量初始化和销毁的接口是：
- 信号量初始化：
参数分别为：#include <semaphore.h> int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);- sem_t *sem：传入信号量的地址
- pshared：传入0值表示线程间共享，传入非零值表示进程间共享。
- value：信号量的初始值（计数器的初始值）。
- 信号量销毁：
#include <semaphore.h> int sem_destroy(sem_t *sem);
2 框架构建
-
环形队列的成员变量
- 线性容器vector模拟环形队列
- 最大容量
int _max_step - 消费者位置
_c_step与 生产者位置_p_step - 两个信号量来表示生产与消费的剩余容量
sem_t _data_sem: 当前有多少数据
sem_t _space_sem: 当前剩余空间还有多少
-
构造函数初始化
- 最大容量需要给值初始化
- 两个初始位置都为 0
- 信号量初始化 sem_init() 数据为 0 ，空间为 最大容量
-
Push接口用来加入数据
- 首先需要申请信号量 P 来对空间信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
获取信号量的本质是对资源 – - 生产进行插入 ， 对应下标向后移动 ， 注意不能越界
- 最后进行释放信号量 V 来对资源信号量进行释放 sem_post()
释放信号量的本质是对资源 ++
- 首先需要申请信号量 P 来对空间信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
-
Pop接口用来获取数据
- 首先需要申请信号量 P 来对资源信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
获取信号量的本质是对资源 – - 获取队列资源，并进行释放， 对应下标向后移动 ， 注意不能越界
- 最后进行释放信号量 V 来对空间信号量进行释放 sem_post()
释放信号量的本质是对资源 ++
- 首先需要申请信号量 P 来对资源信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
-
多生产多消费改造：多个生产 / 消费线程存在 消费对消费 生产对生产的问题！
- 信号量保证了单生产单消费中，两个线程可以通过信号量来保证不会出现访问越界 / 访问重叠的问题！
- 多线程的情况下可能会发生访问同一位置的可能，获取到信号量之后由于中间的处理是临界区，可能会发生线程的切换，就会导致对同一位置进行处理，进而发生问题！
- 为了保证线程安全，需要两把锁，分别管理生产者和消费者！
- 锁的处理：
- 获取信号量之后再进行加锁，获取信号量是原子的，先申请信号量可以保证多个线程在获取中进行排队等待。
- 如果先加锁，就只能使一个线程进入到获取信号量的队列中，效率低（电影院先买票在排队 ，先排队再买票）
6.为什么信号量不加条件判断？:
在环形队列的实现中，没有使用条件变量，像阻塞队列一样进行条件的判断 而是直接来不管三七二十一进行获取信号量,因为信号量本身就是判断条件,信号量是用来描述内部资源的多少的，是原子的！本质是一个计数器 通过预订机制来保证内部资源的合理使用,当信号量的资源数量为1时和锁时等价的！
3 代码实现
#pragma once
#include <vector>
#include <semaphore.h>
const int default_cap = 5;
template <class T>
class RingQueue
{
public:
RingQueue(int max_cap = default_cap) : _rq(max_cap), _max_cap(max_cap), _p_step(0), _c_step(0)
{
// 信号量初始化
sem_init(&_space_sem, 0, _max_cap);
sem_init(&_data_sem, 0, 0);
//锁进行初始化
pthread_mutex_init(&_c_mtx , nullptr);
pthread_mutex_init(&_p_mtx , nullptr);
}
// 获取信号量
void P(sem_t &sp)
{
sem_wait(&sp);
}
// 释放信号量
void V(sem_t &sp)
{
sem_post(&sp);
}
// 插入操作
void Push(const T &t)
{
// 获取空间信号量 --
P(_space_sem);
//临界区上锁
pthread_mutex_lock(&_p_mtx );
_rq[_p_step] = t;
_p_step++;
_p_step %= _max_cap;
//解锁
pthread_mutex_unlock(&_p_mtx);
// 释放信号量 ++
V(_data_sem);
}
// 获取操作
void Pop(T *t)
{
// 获取资源信号量
P(_data_sem);
pthread_mutex_lock(&_c_mtx);
*t = _rq[_c_step];
_c_step++;
_c_step %= _max_cap;
pthread_mutex_unlock(&_c_mtx);
// 释放信号量
V(_space_sem);
}
~RingQueue()
{
// 销毁对应信号量！
sem_destroy(&_space_sem);
sem_destroy(&_data_sem);
//锁进行释放
pthread_mutex_destroy(&_c_mtx);
pthread_mutex_destroy(&_p_mtx);
}
private:
// 底层线性结构，模拟环形队列
std::vector<T> _rq;
// 最大容量
int _max_cap;
// 生产者/消费者 下标
int _p_step;
int _c_step;
// 空间/资源 信号量
sem_t _space_sem;
sem_t _data_sem;
// 生产 / 消费 锁
pthread_mutex_t _p_mtx;
pthread_mutex_t _c_mtx;
};
4 测试运行
我们来做一些简单测试，我们设计了Task类，用于执行加法操作。它包含两个整型参数_x和_y，并提供方法来执行加法并获取结果。通过重载括号运算符，Task对象可以被直接调用以执行计算。此外，类还提供了调试信息和结果输出的功能。
我写了一段代码段用于测试。在该测试中：定义了两个线程函数Consumer和Productor，分别模拟消费者和生产者行为：
Consumer线程不断从环形队列中取出Task对象，执行其操作，并打印消费结果。Productor线程则持续生成新的Task对象并将其放入队列中，同时打印出生产信息。
主函数main中创建了一个容量为5的RingQueue<Task>实例，并启动了两个线程。pthread_create用于创建线程，pthread_join确保主线程等待子线程执行完毕。通过这种方式，我们验证了环形队列在多线程环境下的线程安全性和功能正确性。
#include <iostream>
#include "RingQueue.hpp"
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include "Task.hpp"
void *Consumer(void *args)
{
RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);
srand(time(nullptr) ^ getpid());
while (true)
{
// 不断的进行获取
Task data ;
rq->Pop(&data);
data();
std::cout << "Consumer 消费者消费 -> " << data.result() << std::endl;
sleep(1);
}
}
void *Productor(void *args)
{
RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);
srand(time(nullptr) ^ getpid());
while (true)
{
// 不断的进行写入
int num1 = rand() % 10;
usleep(1000);
int num2 = rand() % 10;
Task t(num1 , num2);
rq->Push(t);
std::cout << "Productor 生产者生产 -> " << t.debug() << std::endl;
usleep(10000);
}
}
int main()
{
// 环形队列
RingQueue<Task> rq(5);
// 使用两个线程来测试
pthread_t t1, t2;
pthread_create(&t1, nullptr, Consumer, &rq);
pthread_create(&t2, nullptr, Productor, &rq);
pthread_join(t1, nullptr);
pthread_join(t2, nullptr);
}
运行效果：
很好的完成了任务！！！
