Linux生产者消费者模型实现

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任何语言提及到多线程同步都离不开生产者/消费者模型。这也是针对许多现实问题建模用到的基础模型。这一篇就来看一下在Linux环境下，C语言实现的两种生产者和消费者模型。

关键字：Linux C 生产者 消费者

条件变量实现生产-消费模型

条件变量都会和互斥锁进行配合使用。首先来回顾一下条件变量的控制原语。

pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr) //初始化创建
pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond) //销毁
pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex) //阻塞等待条件变量，同时释放互斥量，两步为一原子操作
pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict cond) //限时等待
pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond) //唤醒至少一个
pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond) //唤醒所有

在使用条件变量时，我们至少需要两个条件变量和一个互斥量

pthread_cond_t cond_not_empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_not_full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

那么，此时的生产消费模型应该是酱的。

由此一来，该模型的实现就变为多线程对一临界区的操作问题。

首先是生产者

void *producer(void *arg)
{
    while(1)
    {
        prepare_data();
        pthread_mutex_lock(&mutex_lock);
        while(product_is_full())
        {
            pthread_cond_wait(&cond_not_full, &mutex_lock);
        }
        insert_data();
        pthread_mutex_unlock(&unlock);
        pthread_cond_signal(&cond_not_empty);
        sleep_for_some_time();
    }
}

然后是消费者

void *consumer(void *arg)
{
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_lock);
        while(product_is_empty())
        {
            pthread_cond_wait(&cond_not_empty, &mutex_lock);
        }
        delete_data();
        pthread_mutex_unlock(&mutex_lock);
        sleep_for_some_time();
    }
}

逻辑很清晰，只不过在使用条件变量时，重点需要注意的是pthread_cond_wait的特性及使用。在等待条件变量时，会释放互斥量，被唤醒时会重新加锁。同时考虑到有多个消费者的情况，采用了while循环加锁。

信号量实现生产-消费模型

同样，首先来回顾一下信号量的控制原语

sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)
sem_destroy(sem_t *sem)
sem_wait(sem_t *sem)
sem_trywait(sem_t *sem)
sem_post(sem_t *sem)

通过信号量实现的模型和条件变量略有不同。因为一个线程不应该既是生产者，又是消费者，所以同一个线程不能同时实现信号量的P和V操作。在这种情况下，应该存在两个信号量。例如，信号量的容量为10，那么同一时刻，两个信号量的当前值之和应该为10。此时，生产消费模型应该是酱的。

首先我们要有两个信号量

sem_init(&sem_blank, 0, 10);
sem_init(&sem_filled, 0, 0);

生产者代码

void *producer(void *arg)
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem_blank);
        insert_data();
        sem_post(&sem_filled);
        sleep_for_some_time();
    }
}

消费者代码

void *consumer(void *arg)
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem_filled);
        delete_data();
        sem_post(&sem_blank);
        sleep_for_some_time();
    }
}

完。