线程同步之 生产者消费者模型详解

前言

       博主本来没打算讲这个比较前面的知识的(博主socket编程还有两个部分没讲,进程也才写完回收僵尸进程的三种方法,信号捕捉器也才完结),但是今天有朋友来问博主,什么是生产者消费者模型,所以博主就先为为数不多的朋友把生产者消费者模型讲一讲,希望大家能看懂(没有现成和锁知识的朋友不要急,这部分是写给有基础的朋友看的,这些知识博主都会慢慢的讲到)。

什么是模型？

模型就是要解决某个问题的固定方法或套路，所以有时候我们学会一点模型是很有必要的。

生产者消费者条件变量模型

       线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。
       换一句话来说就是,比如说你在学校上课,好不容易熬到了放学,此时你肯定会和你的小伙伴一起去食堂吃饭(土豪除外,土豪不去食堂),但是因为之前食堂停水停电,导致,你们放学了才开始做饭,所以现在就会面临一个问题。
       当食堂大叔做好饭之后会把饭放在指定的饭盒里面，但是食堂大叔做饭的速度可能比不上你和你小伙伴吃饭的速度（或者大叔做饭的速度太快导致们根本吃不过大叔的做饭速度）。这也就是我们的生产者消费者模型了。

所以博主先列出一些概念,更容易使大家理解:

生产者:产生数据的一方（食堂大叔做饭）
消费者:处理数据的一方（你和你的小伙伴吃饭）

我们会遇到的问题

双方处理数据的速度可能不同，这样就会导致总由一方吃处于阻塞状态。（也就是博主上面所说的吃饭的问题）可能博主的逻辑不是很严谨，但是将就着看吧。

要用到的函数解析:

int pthread_cond_wait

 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
 
函数作用：
1.阻塞等待条件变量cond（参1）满足	
2.释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
 1.2.两步为一个原子操作。
3.当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);


我们要知道的是在调用这个函数之前我们要做前准备好的事情:
1.mutex_t mutex 定义互斥量
2.init 初始化
3.lock 加锁
4.cond_t has_product 定义条件变量
5.inti	初始化

pthread_cond_signal

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程

提到了这么多的东西了,接下来博主就给出生产者消费者模型的代码(里面有很详细的解释了,大家应该都能看懂,博主就不在做GIF动画了)

/*借助条件变量模拟 生产者-消费者 问题*/
#include 
#include 
#include 
#include 

/*链表作为公享数据,需被互斥量保护*/
struct msg {
    struct msg *next;
    int num;
};

struct msg *head;
struct msg *mp;

/* 静态初始化 一个条件变量 和 一个互斥量  完成 1 2   4 5 */
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *p)
{
    while(true){
        pthread_mutex_lock(&lock);	//加锁  完成 3 
        while (head == NULL) {           //头指针为空,说明没有节点    可以为if吗
            pthread_cond_wait(&has_product, &lock);		//此时会阻塞等待 等生产者传入之后才会继续工作
				/*	1.阻塞等待条件变量cond（参1）满足	
					2.释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
						注意: 	1和2这两步为一个原子操作。
					3.当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);*/
        }
       
		mp = head;      
        head = mp->next;    //模拟消费掉一个产品
        pthread_mutex_unlock(&lock);	//解锁

        printf("-Consume ---%d\n", mp->num);
        free(mp);	//create 和 free 要成双成对出现
        mp = NULL;	

        sleep(rand() % 5);	//随机随眠让 CUP 转移
    }
}

void *producer(void *p)
{
   while(true) {
        mp = malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand() % 1000 + 1;        //模拟生产一个产品

        printf("-Produce ---%d\n", mp->num);

        pthread_mutex_lock(&lock);	//加锁(不用担心死锁,即使是消费者先调用,在pthread_cond_wait()之后也会将之前获得的锁给释放!
			//头插法
		mp->next = head;
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&lock);	//解锁

        pthread_cond_signal(&has_product);  //将等待在该条件变量上的一个线程(生产者线程)唤醒
        sleep(rand() % 5);	//随机随眠让 CUP 转移
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;	//pid-->生产者    cid -->消费者
    srand(time(NULL));

	/* 调用各自的主控函数 */
    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

	//回收各自的线程!
    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    return 0;
}

有朋友会遇到这种问题:
我为什么写的不能实现同步呢?就只是一个生产者在那干活
博主认为最有可能的原因是因为时序竞态，这种解决办法很简单加sleep就行了。
或者是 博主上面的两个函数没使用好导致这种情况，要记住 wait等的是生产的信号，signal发的是生产者的信号去唤醒阻塞的消费者。