Linux系统编程：生产者消费者问题

Description

生产者消费者共享缓冲区，生产者向缓冲区中放数据，消费者从缓冲取中取数据，当缓冲区中被放满时，生产者进程就必须进入挂起状态，直到消费者从缓冲中取走数据时，生产者才能继续向缓冲区中存放数据，同样当缓冲取中没有数据时，消费者进程就必须进入挂起休眠状态，直到生产者向缓冲区中放入数据时，消费者才能被唤醒继续从缓冲区中取走数据。

分析

• 首先介绍我相对熟悉的sem写法：
  用数组并对其下标进行简单的%操作来实现环形数组，用于生产/消费产品。
  该写法的核心是定义两个sem，一个用来表示剩余可容纳的产品数（有产品最大值），另一个用于表示当前拥有的产品数。如果产品过多，表示剩余可容纳产品数的信号量则为0，生产者无法再做wait操作，该线程便会阻塞，同理，如果没有再可供消费的产品，表示当前拥有产品数的信号量为0，消费者无法再做wait操作，等待生产者生产后接触阻塞。
• 其次是mutex写法：
  本写法采用链表来模拟产品仓库。定义mutex，以及条件变量cond。条件变量cond的意义在于，若消费者发现仓库为空，可以阻塞等待生产者生产（也就是说，生产者每次生产时都要告知阻塞在该条件变量上的线程，你可以接触阻塞了）。
  此外，要注意的是：若涉及到多个生产者和消费者时，判断仓库是否为空时需要用while语句，因为broadcast之后如有多个消费者阻塞，却只有一个数据，会发生段错误。而对于sem写法，则额外定义一个mutex或者为1的sem，每次只允许一个生产者或者消费操作缓冲区，且这里有可能有一个死锁问题：
  若消费者先上缓冲区的锁，一开始产品数为0，此时该消费者阻塞，且其他生产者由于拿不到缓冲区的锁，也无法生产数据，造成死锁，这也告诉我们，锁的粒度要越小越好。

代码

使用mutex:

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

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

void pthread_err(int ret, const char *str)
{
    fprintf(stderr, "%s error : %s\n", str, strerror(ret));
    exit(1);
}

struct message *head = NULL;

pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *arg)
{
    while (1)
    {
        struct message *temp;
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (head == NULL)   //多个消费者时用while,因为broadcast之后如有多个消费者阻塞，却只有一个数据，会发生段错误
        {
            //阻塞等待条件变量，并解锁（返回时重新加锁）
            pthread_cond_wait(&has_product, &mutex);
        }
        //模拟消费数据
        temp = head;
        head = head->next;

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        printf("-----Consume %d\n", temp->num);
        free(temp);
        sleep(rand() % 3);
    }

    return NULL;
}

void *producer(void *arg)
{
    while (1)
    {
        //模拟生产数据
        struct message *product = (struct message*)malloc(sizeof(struct message));
        product->num = rand()%1000+1;
        printf("=====Produce %d\n", product->num);
        //加锁（锁的粒度越小越好，提高并发性）
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        //头插法
        product->next = head;
        head = product;
        //解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        //唤醒阻塞在has_product上的线程
        pthread_cond_signal(&has_product);//多个消费者:phread_cond_broadcast(&has_product);
        sleep(rand() % 3);
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;
    srand( (unsigned int)time(NULL));

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    return 0;
}

使用sem：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define NUM 5
int queue[NUM];                     //全局数组实现环形队列
sem_t blank_number, product_number; //空格信号量和产品信号量

void my_err(const char *str)
{
     perror(str);
     exit(1);
}

void *producer(void *arg)
{
    int i = 0;

    while (1)
    {
        sem_wait(&blank_number);    //生产者将空格子数--，为0则阻塞等待
        queue[i] = rand()%1000 + 1;
        printf("=====Product %d\n", queue[i]);
        sem_post(&product_number);  //产品数++
        i = (i+1)%NUM;
        sleep(rand() % 1);  //方便另一个获得CPU
    }
}

void *consumer(void *arg)
{
    int i = 0;

    while (1)
    {
        sem_wait(&product_number);
        printf("-----Consume %d\n", queue[i]);
        queue[i] = 0;
        sem_post(&blank_number);
        i = (i+1)%NUM;
        sleep(rand() % 3);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;
    
    sem_init(&blank_number, 0, NUM);    //0表示在线程间
    sem_init(&product_number, 0, 0);    //0表示在线程间
    
    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    sem_destroy(&blank_number);
    sem_destroy(&product_number);

    return 0;
}