基于信号量和环形队列的生产者消费者模型

news2024/9/21 18:50:33

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文章目录

  • POSIX信号量
  • 信号量接口
    • 初始化信号量
    • 销毁信号量
    • 等待信号量
    • 发布信号量
  • 基于环形队列的生产者消费者模型
    • 单生产单消费
    • 多生产多消费

POSIX信号量

POSIX信号量和SystemV信号量作用相同，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源目的。 但POSIX可以用于线程间同步。信号量的本质是一个计数器。

信号量本身是一个判断条件，是资源的预定机制，预定在外部，可以不判断资源是否满足，就可以知道内部资源的情况。

信号量接口

初始化信号量


#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

Link with -pthread.

pshared:0表示线程间共享，非零表示进程间共享
value：信号量初始值

销毁信号量

#include <semaphore.h>

int sem_destroy(sem_t *sem);

Link with -pthread.

等待信号量

等待信号量，会将信号量的值减1

 int sem_wait(sem_t *sem);

等待成功继续往后执行，资源不足，阻塞在信号量这里

发布信号量

int sem_post(sem_t *sem);

发布信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了。将信号量值加1。

基于环形队列的生产者消费者模型

环形队列在物理结构上是一个线性结构，逻辑结构我们可以认为是一个环形结构。

环形队列有一头一为，头部进行取数据，尾部进行放数据，最开始指向同一个位置。
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现在进行只插入数据操作，end一直进行++操作，此时end又和head相遇，也就是说，当队列为空或者为满的时候，head和end是相等的。

这样就出现了歧义，head==end无法判断队列的状态，因此引入了计数器或牺牲掉一个空位置（head==end+1表示队列满了）。

上面已经了解了信号量，因此队列空和满不再是本节需要关注的问题，需要关注的是多线程如何在环形队列中进行生产和消费。

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当队列为空的时候，理论上只能让生产者先生产；当队列为满的时候，只能让消费者先消费，这就保证在访问的时候有一定的顺序性和互斥特点。
环形队列不为空也不为满时，生产和消费的下标，一定指的不是同一个位置（head!=end），此时允许生产和消费同时进行。

结论：

  1. 不能让生产者把消费者套一个圈
  2. 不能让消费者超过生产者

通过信号量来完成上述要求，实现同步和互斥。

消费者最关心的是数据资源，生产者最关心的是空间资源。

定义两个信号量：

  1. sem_t data_sem = 0数据信号量
  2. sem_t space_sem = N空间信号量

作为生产者需要申请空间，执行P操作：P(space_sem) ，生产数据后，空间被占了，执行V操作：V(data_sem)
作为消费者需要申请资源，执行P操作：P(sem_data)，一旦将数据拿走，空间就多出来了，再执行一个V操作：V(spce_sem)
因此生产者和消费者是申请自己的资源，释放对方的资源。

单生产单消费

先将环形队列生产满，然后消费一个，生产一个，体现同步特性：

//RingQueue.hpp
#pragma once
#include<iostream>
#include<string>
#include<vector>
#include<semaphore.h>

template<typename T>
class RingQueue
{
private:
    void P(sem_t &s)
    {
        sem_wait(&s);
    }

    void V(sem_t &s)
    {
        sem_post(&s);
    }

public:
    RingQueue(int max_cap)
    :_ringqueue(max_cap)
    ,_max_cap(max_cap)
    ,_c_step(0)
    ,_p_step(0)
    {
        sem_init(&_data_sem,0,0);
        sem_init(&_space_sem,0,_max_cap);
    }

    //生产者
    void Push(const T &in)
    {
        P(_space_sem);
        _ringqueue[_p_step]=in;
        _p_step++;
        _p_step%=_max_cap;
        V(_data_sem);
    }
    //消费者
    void Pop(T *out)
    {
        P(_data_sem);
        *out=_ringqueue[_c_step];
        _c_step++;
        _c_step%=_max_cap;
        V(_space_sem);
    }

    ~RingQueue()
    {
        sem_destroy(&_data_sem);
        sem_destroy(&_space_sem);
    }

private:
    std::vector<T> _ringqueue;
    int _max_cap;

    int _c_step;
    int _p_step;

    sem_t _data_sem;  //消费者信号量
    sem_t _space_sem;  //生产者消费量
};

//Main.cc
#include"RingQueue.hpp"
#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<ctime>
#include<unistd.h>

void *Consumer(void *argc)
{
    RingQueue<int> *rq=static_cast<RingQueue<int> *>(argc);

    while(true)
    {
        sleep(1);
        int data=0;
        //1.消费
        rq->Pop(&data);

        std::cout<<"Consumer -> "<<data<<std::endl;
    }
}

void *Productor(void *argc)
{
    RingQueue<int> *rq=static_cast<RingQueue<int> *>(argc);
    while(true)
    {
        //1.构造数据
        int data=rand()%10+1;

        //2.生产
        rq->Push(data);
        std::cout<<"Productor -> "<<data<<std::endl;
    }
}

int main()
{
    srand(time(nullptr)^getpid());

    RingQueue<int> *rq=new RingQueue<int>(5);


    //单生产单消费
    pthread_t c,p;
    pthread_create(&c,nullptr,Consumer,rq);
    pthread_create(&p,nullptr,Productor,rq);

    pthread_join(c,nullptr);
    pthread_join(p,nullptr);

    return 0;
}

运行结果：
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生产一个消费一个，体现互斥特点：

//Main.cc
#include"RingQueue.hpp"
#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<ctime>
#include<unistd.h>

void *Consumer(void *argc)
{
    RingQueue<int> *rq=static_cast<RingQueue<int> *>(argc);

    while(true)
    {
        int data=0;
        //1.消费
        rq->Pop(&data);

        std::cout<<"Consumer -> "<<data<<std::endl;
    }
}

void *Productor(void *argc)
{
    RingQueue<int> *rq=static_cast<RingQueue<int> *>(argc);
    while(true)
    {
        sleep(1);

        //1.构造数据
        int data=rand()%10+1;

        //2.生产
        rq->Push(data);
        std::cout<<"Productor -> "<<data<<std::endl;
    }
}

int main()
{
    srand(time(nullptr)^getpid());

    RingQueue<int> *rq=new RingQueue<int>(5);


    //单生产单消费
    pthread_t c,p;
    pthread_create(&c,nullptr,Consumer,rq);
    pthread_create(&p,nullptr,Productor,rq);

    pthread_join(c,nullptr);
    pthread_join(p,nullptr);

    return 0;
}

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上述测试代码是传递一个int类型的数据到阻塞队列中，也可以传递其他类型，在传递struct或者class类型时，可以封装成一个个的任务传递到环形中。

传递一个任务：

//Task.hpp
#pragma once
#include<iostream>
#include<string>
#include<functional>

class Task
{

public:
    Task()
    {}
    Task(int x,int y):_x(x),_y(y)
    {}

    void Excute()
    {
        _result=_x+_y;
    }

    void operator()()
    {
        Excute();
    }

    std::string debug()
    {
        std::string msg=std::to_string(_x)+"+"+std::to_string(_y)+"=?";
        return msg;
    }
    std::string result()
    {
        std::string msg=std::to_string(_x)+"+"+std::to_string(_y)+"="+std::to_string(_result);
        return msg;
    }

private:
    int _x;
    int _y;
    int _result;
};

//Main.cc
#include"RingQueue.hpp"
#include"Task.hpp"
#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<ctime>
#include<unistd.h>
//传递任务
void *Consumer(void *argc)
{
    RingQueue<Task> *rq=static_cast<RingQueue<Task> *>(argc);

    while(true)
    {
        Task t;
        //1.消费
        rq->Pop(&t);
        t();
        std::cout<<"Consumer -> "<<t.result()<<std::endl;
    }
}

void *Productor(void *argc)
{
    RingQueue<Task> *rq=static_cast<RingQueue<Task> *>(argc);
    while(true)
    {
        sleep(1);

        //1.构造数据
        int x=rand()%10+1;
        usleep(x*1000);
        int y=rand()%10+1;
        Task t(x,y);

        //2.生产
        rq->Push(t);
        std::cout<<"Productor -> "<<t.debug()<<std::endl;
    }
}

int main()
{
    srand(time(nullptr)^getpid());

    RingQueue<Task> *rq=new RingQueue<Task>(5);


    //单生产单消费
    pthread_t c,p;
    pthread_create(&c,nullptr,Consumer,rq);
    pthread_create(&p,nullptr,Productor,rq);

    pthread_join(c,nullptr);
    pthread_join(p,nullptr);

    return 0;
}

运行结果：
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多生产多消费

生产者和消费者的下标位置只有一个，在环形队列中，执行多生产多消费操作，一瞬间下标称为自己的临界资源，所以必须要加锁。多生产多消费是为了在处理放数据取数据有更好的并发度。

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先申请锁合适还是先申请信号量合适？
如果先加锁，申请信号量的线程就是一个生产者，一旦解锁，线程又得重新申请信号量，效率地下，申请锁和申请信号量注定是串行的。如果是先申请信号量，先预定着，然后再去竞争，谁的优先级高谁就先申请到锁。这就类似于我们日常生活中现在手机上面购票，等电影快开始准备检票即可。**因此先申请信号量在加锁合适。**申请信号量本身是原子的，不会出错，先把可用的资源给线程瓜分，然后等待即可。
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