Linux多线程编程-生产者与消费者模型详解与实现（C语言）
1.什么是生成者与消费者模型生产者-消费者模型是并发编程中的经典问题，描述了多个线程（或历程）怎样安全、有效地共享有限的缓冲区资源。在这个模型中，有两种角色：
[*] 生产者（Producer）：负责生成数据或者将数据放置到共享缓冲区中。
[*] 消费者（Consumer）：负责从共享缓冲区中取出数据并进行处理或消费。
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核心概念：
生产者和消费者模型主要涉及以下几个关键概念：
[*] 共享缓冲区（Shared Buffer）：生产者和消费者之间共享的有限大小的缓冲区。这个缓冲区可以是一个队列或者一个固定大小的数组。
[*] 同步（Synchronization）：确保生产者和消费者之间的正确协作，制止数据竞争和资源争用。例如，当缓冲区已满时，生产者应该等候；当缓冲区为空时，消费者应该等候。
[*] 互斥（Mutual Exclusion）：确保同一时候只有一个线程（生产者或消费者）可以访问或操纵共享缓冲区，以制止数据不一致或丢失。
详细案例：
假设有一个生产者和多个消费者的情况，以一个有界缓冲区（Bounded Buffer）为例：
[*] 共享缓冲区：假设有一个大小为10的数组作为共享缓冲区，用于存放生产者生产的产物。
[*] 生产者：负责生成产物，并将产物放入共享缓冲区中。如果缓冲区已满，生产者需要等候，直到有空间可以放置产物。
[*] 消费者：负责从共享缓冲区中取出产物并进行消费。如果缓冲区为空，消费者需要等候，直到有产物可以消费。
解决方案：
为相识决生产者-消费者模型中的同步和互斥问题，可以采用以下方法：
[*] 互斥锁（Mutex）：确保在同一时候只有一个线程可以访问或修改共享缓冲区。例如，生产者和消费者在访问缓冲区前，首先要获取互斥锁，操纵完成后开释锁。
[*] 条件变量（Condition Variables）：用于线程间的通讯，如关照生产者缓冲区有空间可以放置新产物，或关照消费者缓冲区中有产物可以消费。
[*] 信号量（Semaphores）：用于控制对共享资源的访问，如控制缓冲区的空闲空间数量或产物数量。
示例代码：
使用C语言来实现，包括两个生产者线程、三个消费者线程，一个大小为10的共享缓冲区（使用链表实现），每个线程生成或消费一个数据后休眠1-2秒，并打印过程。我们将使用条件变量来实现线程的等候和唤醒机制。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#define BUFFER_SIZE 10
// 链表节点
typedef struct Node {
int data;
struct Node *next;
} Node;
// 全局变量
Node *head = NULL; // 指向链表头部的指针
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;// 互斥锁
pthread_cond_t empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER; // 缓冲区为空的条件变量
pthread_cond_t full = PTHREAD_COND_INITIALIZER; // 缓冲区已满的条件变量
int count = 0; // 缓冲区当前数据项的数量
// 生产者线程函数
void *producer_func(void *arg) {
int id = *((int *)arg);// 生产者线程的编号
int data = 0;
while (1) {
// 生成数据项
data++;
// 获取互斥锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 等待直到缓冲区有空间
while (count == BUFFER_SIZE) {
printf("Producer %d: Buffer is full. Waiting...\n", id);
//条件变量 (empty)：在缓冲区已满时，生产者线程会等待在 empty 条件变量上，直到有消费者取走数据并通知它。
pthread_cond_wait(&empty, &mutex);
}
// 将数据项放入缓冲区,头插法，取节点的时候不用遍历链表
Node *new_node = (Node *)malloc(sizeof(Node));
new_node->data = data;
new_node->next = head;
head = new_node;
count++;
printf("Producer %d: Produced data: %d\n", id, data);
// 在生产者放入数据后，会通过 full 条件变量唤醒等待的消费者线程，告知它们可以消费数据了。
pthread_cond_signal(&full);
// 释放互斥锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 休眠1-2秒
sleep(rand() % 2);
}
pthread_exit(NULL);
}
// 消费者线程函数
void *consumer_func(void *arg) {
int id = *((int *)arg);// 消费者线程的编号
while (1) {
// 获取互斥锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 等待直到缓冲区有数据
while (head == NULL) {
printf("Consumer %d: Buffer is empty. Waiting...\n", id);
//条件变量 (full)：在缓冲区为空时，消费者线程会等待在 full 条件变量上，直到有生产者放入数据并通知它。
pthread_cond_wait(&full, &mutex);
}
// 从缓冲区取出数据项
Node *temp = head;
head = head->next;
int data = temp->data;
free(temp);
count--;
printf("Consumer %d: Consumed data: %d\n", id, data);
// 在消费者取走数据后，会通过 empty 条件变量唤醒等待的生产者线程，告知它们可以继续生产数据。
pthread_cond_signal(&empty);
// 释放互斥锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 休眠1-3秒
sleep(rand() % 3 + 1);
}
pthread_exit(NULL);
}
int main() {
pthread_t producers, consumers;
int producer_ids = {1, 2};// 两个生产者线程的编号
int consumer_ids = {1, 2, 3};// 三个消费者线程的编号
// 初始化互斥锁和条件变量
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&empty, NULL);
pthread_cond_init(&full, NULL);
// 创建生产者线程
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
pthread_create(&producers, NULL, producer_func, (void *)&producer_ids);
}
// 创建消费者线程
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
pthread_create(&consumers, NULL, consumer_func, (void *)&consumer_ids);
}
// 主线程等待所有子线程结束
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
pthread_join(producers, NULL);
}
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
pthread_join(consumers, NULL);
}
// 销毁互斥锁和条件变量
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&empty);
pthread_cond_destroy(&full);
return 0;
}
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