C语言练习【互斥锁、信号量线程同步、条件变量实现生产者消费者模型】

news2025/2/4 21:33:26

练习1

请使用互斥锁 和 信号量分别实现5个线程之间的同步

互斥锁实现同步

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <wait.h>
#include <signal.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/un.h>
 
typedef struct sockaddr_in addr_in_t;
typedef struct sockaddr addr_t;
typedef struct sockaddr_un addr_un_t;
 
//创建互斥锁
pthread_mutex_t m;
pthread_mutex_t m1;
pthread_mutex_t m2;
pthread_mutex_t m3;
pthread_mutex_t m4;
 
void* thread_main1(void* arg)
{
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&m1);
		printf("1#线程\n");
		sleep(1);
		pthread_mutex_unlock(&m2);
	}
}
 
void* thread_main2(void* arg)
{
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&m2);
		printf("2#线程\n");
		sleep(1);
		pthread_mutex_unlock(&m3);
	}
}
 
void* thread_main3(void* arg)
{
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&m3);
		printf("3#线程\n");
		sleep(1);
		pthread_mutex_unlock(&m4);
	}
}
 
void* thread_main4(void* arg)
{
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&m4);
		printf("4#线程\n");
		printf("-------------\n");
		sleep(1);
		pthread_mutex_unlock(&m);
	}
}
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
	//初始化互斥锁
	pthread_mutex_init(&m,NULL);
	pthread_mutex_init(&m1,NULL);
	pthread_mutex_init(&m2,NULL);
	pthread_mutex_init(&m3,NULL);
	pthread_mutex_init(&m4,NULL);
 
	pthread_mutex_lock(&m1);
	pthread_mutex_lock(&m2);
	pthread_mutex_lock(&m3);
	pthread_mutex_lock(&m4);
 
	//创建4个分支线程
	pthread_t id1;
	pthread_create(&id1,0,thread_main1,0);
	pthread_detach(id1);
	pthread_t id2;
	pthread_create(&id2,0,thread_main2,0);
	pthread_detach(id2);
	pthread_t id3;
	pthread_create(&id3,0,thread_main3,0);
	pthread_detach(id3);
	pthread_t id4;
	pthread_create(&id4,0,thread_main4,0);
	pthread_detach(id4);
 
	//主线程
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&m);
		printf("主线程\n");
		sleep(1);
		pthread_mutex_unlock(&m1);
	}
 
	//销毁互斥锁
	pthread_mutex_destroy(&m);
	pthread_mutex_destroy(&m1);
	pthread_mutex_destroy(&m2);
	pthread_mutex_destroy(&m3);
	pthread_mutex_destroy(&m4);
	return 0;
}

信号量实现同步

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <wait.h>
#include <signal.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/un.h>
 
typedef struct sockaddr_in addr_in_t;
typedef struct sockaddr addr_t;
typedef struct sockaddr_un addr_un_t;
 
//创建信号量
sem_t s;
sem_t s1;
sem_t s2;
sem_t s3;
sem_t s4;
 
void* thread_main1(void* arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&s1);
		printf("1#线程\n");
		sleep(1);
		sem_post(&s2);
	}
}
 
void* thread_main2(void* arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&s2);
		printf("2#线程\n");
		sleep(1);
		sem_post(&s3);
	}
}
 
void* thread_main3(void* arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&s3);
		printf("3#线程\n");
		sleep(1);
		sem_post(&s4);
	}
}
 
void* thread_main4(void* arg)
{
	while(1)
	{
		sem_wait(&s4);
		printf("4#线程\n");
		printf("----------------\n");
		sleep(1);
		sem_post(&s);
	}
}
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
	//初始化信号量
	sem_init(&s,0,1);
	sem_init(&s1,0,1);
	sem_init(&s2,0,1);
	sem_init(&s3,0,1);
	sem_init(&s4,0,1);
 
	sem_wait(&s1);
	sem_wait(&s2);
	sem_wait(&s3);
	sem_wait(&s4);
 
	//创建4个分支线程
	pthread_t id1;
	pthread_create(&id1,0,thread_main1,0);
	pthread_detach(id1);
	pthread_t id2;
	pthread_create(&id2,0,thread_main2,0);
	pthread_detach(id2);
	pthread_t id3;
	pthread_create(&id3,0,thread_main3,0);
	pthread_detach(id3);
	pthread_t id4;
	pthread_create(&id4,0,thread_main4,0);
	pthread_detach(id4);
 
	//销毁信号量
	sem_destroy(&s);
	sem_destroy(&s1);
	sem_destroy(&s2);
	sem_destroy(&s3);
	sem_destroy(&s4);
 
	//主线程
	while(1)
	{
		sem_wait(&s);
		printf("主线程\n");
		sleep(1);
		sem_post(&s1);
	}
 
	return 0;
}

练习2

请使用条件变量实现2生产者2消费者模型，注意1个生产者在生产的时候，另外一个生产者不能生产

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 5  // 缓冲区大小
#define NUM_PRODUCERS 2  // 生产者数量
#define NUM_CONSUMERS 2  // 消费者数量

// 环形缓冲区
int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;   // 下一个生产者放入数据的位置
int out = 0;  // 下一个消费者取出数据的位置
int count = 0; // 当前缓冲区的元素个数

pthread_mutex_t mutex;            // 互斥锁
pthread_cond_t not_full;          // 缓冲区不满时的条件变量
pthread_cond_t not_empty;         // 缓冲区不空时的条件变量
pthread_cond_t producer_cond;     // 控制生产者互斥的条件变量

void *producer(void *arg) {
    int id = *((int *)arg);
    while (1) {
        sleep(rand() % 2);  // 模拟生产时间

        pthread_mutex_lock(&mutex);

        // 确保每次只有一个生产者在生产
        if (id == 1) {
            pthread_cond_wait(&producer_cond, &mutex);  // 如果是生产者2，等生产者1生产
        }

        // 等待缓冲区有空间
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&not_full, &mutex);
        }

        // 生产数据并放入缓冲区
        buffer[in] = rand() % 100;
        printf("Producer %d produced: %d\n", id, buffer[in]);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        count++;

        // 通知消费者缓冲区有数据可以消费
        pthread_cond_signal(&not_empty);

        // 唤醒另一个生产者
        if (id == 0) {
            pthread_cond_signal(&producer_cond);  // 唤醒生产者2
        }

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

void *consumer(void *arg) {
    while (1) {
        sleep(rand() % 3);  // 模拟消费时间

        pthread_mutex_lock(&mutex);

        // 等待缓冲区有数据
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&not_empty, &mutex);
        }

        // 消费数据
        int data = buffer[out];
        printf("Consumer consumed: %d\n", data);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        count--;

        // 通知生产者缓冲区有空间可以生产
        pthread_cond_signal(&not_full);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producers[NUM_PRODUCERS], consumers[NUM_CONSUMERS];
    int ids[NUM_PRODUCERS] = {0, 1};  // 生产者的 ID

    // 初始化锁和条件变量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&not_full, NULL);
    pthread_cond_init(&not_empty, NULL);
    pthread_cond_init(&producer_cond, NULL);

    // 创建生产者和消费者线程
    for (int i = 0; i < NUM_PRODUCERS; i++) {
        if (pthread_create(&producers[i], NULL, producer, (void *)&ids[i]) != 0) {
            perror("Producer thread creation failed");
            return 1;
        }
    }

    for (int i = 0; i < NUM_CONSUMERS; i++) {
        if (pthread_create(&consumers[i], NULL, consumer, NULL) != 0) {
            perror("Consumer thread creation failed");
            return 1;
        }
    }

    // 设置生产者1为启动生产的线程
    pthread_cond_signal(&producer_cond);

    // 等待所有线程结束
    for (int i = 0; i < NUM_PRODUCERS; i++) {
        pthread_join(producers[i], NULL);
    }
    for (int i = 0; i < NUM_CONSUMERS; i++) {
        pthread_join(consumers[i], NULL);
    }

    // 销毁锁和条件变量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&not_full);
    pthread_cond_destroy(&not_empty);
    pthread_cond_destroy(&producer_cond);

    return 0;
}

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