【项目 线程4】3.12生产者消费者模型 3.13条件变量 3.14信号量 C++实现生产者消费者模型

news2024/11/16 9:18:07

3.12生产者消费者模型

生产者消费者模型中的对象：
1、生产者
2、消费者
3、容器
若容器已满，生产者阻塞在这，通知消费者去消费；若容器已空，则消费者阻塞，通知生产者去生产。生产者可以有多个，消费者也可以有多个。容器中的数据是多个线程共享的，线程同步问题涉及到互斥量、读写锁等。
条件变量、信号量等。
在这里插入图片描述

/*
    生产者消费者模型（粗略的版本），此处不考虑容器存满
*/
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;

struct Node{
    int num;
    struct Node *next;
};

// 头结点
struct Node * head = NULL;

void * producer(void * arg) {

    // 不断的创建新的节点（头插法），添加到链表中
    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        //malloc默认返回void *,类型转换为struct Node *
        struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand() % 1000;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void * customer(void * arg) {

    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 保存头结点的指针，记录要删除的结点信息
        struct Node * tmp = head;

        // 判断是否有数据,从头部开始删除
        if(head != NULL) {
            // 有数据
            head = head->next;
            printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
            free(tmp);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        } else {
            // 没有数据，需进行解锁，不然讲产生死锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
    }
    return  NULL;
}

int main() {

    //初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建5个生产者线程，和5个消费者线程
    pthread_t ptids[5], ctids[5];

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
    }

    //分离后的子线程可自行释放资源，不需其他线程对其进行回收释放
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

	
    while(1) {
        sleep(10);
    }

    //释放互斥量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

显示结果：
在这里插入图片描述后续课程解决当前生产者消费者模型所存在的问题！互斥量、条件变量、信号量

3.13条件变量

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
条件变量，某个条件满足后引起阻塞或某个条件满足后解除阻塞。配合互斥锁实现线程同步。

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

// 创建一个互斥量，解决线程同步问题
pthread_mutex_t mutex;
// 创建条件变量，解决没有数据时，阻塞
pthread_cond_t cond;

struct Node{
    int num;
    struct Node *next;
};

// 头结点
struct Node * head = NULL;

void * producer(void * arg) {

    // 不断的创建新的节点，添加到链表中
    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand() % 1000;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
        
        // 只要生产了一个，就通知消费者消费，解除阻塞
        pthread_cond_signal(&cond);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void * customer(void * arg) {

    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 保存头结点的指针
        struct Node * tmp = head;
        // 判断是否有数据
        if(head != NULL) {
            // 有数据
            head = head->next;
            printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
            free(tmp);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        } else {
            // 没有数据，需要等待
            // 当这个函数调用阻塞的时候，会对互斥锁进行解锁，当不阻塞的，继续向下执行，会重新加锁。
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
    }
    return  NULL;
}

int main() {

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    // 创建5个生产者线程，和5个消费者线程
    pthread_t ptids[5], ctids[5];

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
    }

    //实现线程分离
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1) {
        sleep(10);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

在这里插入图片描述说明：
1、消费线程进来，拿到互斥锁。
2、如果内容为空，则阻塞，同时释放互斥锁(这就完成了拿去和释放动作)，无论有几个消费线程抢到锁，都会阻塞在这里。
3、生产线程抢到锁，于是生产。只要生产了就会通知消费线程。同时下一步解除锁。
4、！！！！== wait解除阻塞，但是同时也重新拿到了锁！！！==很重要！！！
5、此时再次评估条件，满足条件，拿着锁向下执行

void* costom(void* arg){
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node* tmp = head;
        if(head != NULL) {
            head = head->next;
            printf("delete node ,num : %d,tid:%ld\n",tmp->num,pthread_self());
            free(tmp);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        }else{
            //没有数据 需要等待
            // // 当这个函数调用阻塞的时候，会对互斥锁进行解锁，当不阻塞的，继续向下执行，会重新加锁。
            pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
            //!!!!!!!!!!所以这一步必不可少
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            //收到信号，回到这里，生产者一释放锁，wait就重新拿到锁。但拿到锁以后，出else，到while入口还有一步拿锁，此时的lock无法执行，就会阻塞在那里。所以一定要在wait后面释放锁。
        }
    }

    return NULL;
}

3.14信号量（semaphore）

信号量，信号灯，灯亮则表示资源可用，灯灭则表示资源不可用。信号量主要用于阻塞线程，但不保证线程安全。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

生产者信号量初始化为8，每调用一次sem_wait(&psem)，生产者信号量-1，每生产一个，消费者信号量加一，当生产者信号量为0时，阻塞。
消费者部分：每调用一次sem_wait(&csem)，消费者信号量-1，每消费一个，生产者信号量加一，当消费者信号量为0时，阻塞。

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

// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;
// 创建两个信号量
sem_t psem;
sem_t csem;

struct Node{
    int num;
    struct Node *next;
};

// 头结点
struct Node * head = NULL;

void * producer(void * arg) {

    // 不断的创建新的节点，添加到链表中
    while(1) {
        sem_wait(&psem);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand() % 1000;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&csem);
    }

    return NULL;
}

void * customer(void * arg) {

    while(1) {
        sem_wait(&csem);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 保存头结点的指针
        struct Node * tmp = head;
        head = head->next;
        printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
        free(tmp);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&psem);
       
    }
    return  NULL;
}

int main() {

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    sem_init(&psem, 0, 8);
    sem_init(&csem, 0, 0);

    // 创建5个生产者线程，和5个消费者线程
    pthread_t ptids[5], ctids[5];

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1) {
        sleep(10);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

C++实现生产者消费者模型

参考佬博客如下：
https://blog.csdn.net/qq_42214953/article/details/104878720
在这里插入图片描述

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