POSIX 使用互斥量和条件变量实现生产者/消费者问题

   boost的mutex，condition_variable非常好用。但是在Linux上，boost实际上做的是对pthread_mutex_t 和pthread_cond_t的一系列的封装。因此通过对原生态的POSIX 的mutex，cond的生成者，消费者的实现，我们可以再次体会boost带给我们的便利。

1. 什么是互斥量

       互斥量从本质上说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行加锁，在访问完成后释放互斥量上的锁。对互斥量进行加锁以后，任何其他试图再次对互斥量加锁的线 程将会被阻塞直到当前线程释放该互斥锁。如果释放互斥锁时有多个线程阻塞，所以在该互斥锁上的阻塞线程都会变成可进行状态，第一个变成运行状态的线程可以 对互斥量加锁，其他线程在次被阻塞，等待下次运行状态。

pthread_mutex_t 就是POSIX对于mutex的实现。

函数名	参数	说明
pthread_mutex_init	pthread_mutex_t * mutex, constpthread_mutex_t *attr	初始化一个互斥量，静态方式可以直接使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER进行赋值初始化
pthread_mutex_destroy	pthread_mutex_t *mutex	释放对互斥变量分配的资源。注意pthread_mutex_init有可能malloc了资源
pthread_mutex_lock	pthread_mutex_t *mutex	如果互斥量已经上锁，调用线程阻塞直至互斥量解锁
pthread_mutex_trylock	pthread_mutex_t *mutex	加锁，如果失败不阻塞
pthread_mutex_unlock	pthread_mutex_t *mutex	解锁

使用init函数进行初始化：

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t foo_mutex;

void foo()
{
  pthread_mutex_init(&foo_mutex, NULL);
  pthread_mutex_lock(&foo_mutex);
  /* Do work. */
  pthread_mutex_unlock(&foo_mutex);
  pthread_mutex_destroy(&foo_mutex);
}

 

当然该初始化

pthread_mutex_init(&foo_mutex, NULL);

只能foo_mutex使用前初始化一次，最后destroy。初始化已经初始化的mutex将导致undefined behavior。

另外一种用法：

pthread_mutex_t foo_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void foo()
{
  pthread_mutex_lock(&foo_mutex);
  /* Do work. */
  pthread_mutex_unlock(&foo_mutex);
}

当 然了，这两种用法都有问题：如果在lock住后unlock之前出现exception，那么这个锁永远也不能unlock。这种情况下需要guard这 个资源。具体可参照boost::mutex::scoped_lock的实现，非常简单但是极大简化了mutex的安全使用。

2. 什么是条件变量

      与互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。

      条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。

     条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条 件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。

      条件变量的初始化和mutex的初始化差不多，也是有两种方式：

          pthread_cond_tmy_condition=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

          也可以利用函数pthread_cond_init动态初始化。

下面中各个函数的简介。

函数名	参数	说明
pthread_cond_init	pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr	初始化
pthread_cond_destroy	pthread_cond_t *cond	回收
pthread_cond_wait	pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex	等待，无超时
pthread_cond_timedwait	pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime	等待，有超时
pthread_cond_signal	pthread_cond_t *cond	一个在相同条件变量上阻塞的线程将被解锁。如果同时有多个线程阻塞，则由调度策略确定接收通知的线程
pthread_cond_broadcast	pthread_cond_t *cond	将通知阻塞在这个条件变量上的所有线程。一旦被唤醒，线程仍然会要求互斥锁。

一个简单使用条件变量进行线程同步的小例子：

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

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *thread1(void *);
void *thread2(void *);

int i=1;
int main(void)
{
    pthread_t t_a;
    pthread_t t_b;

    pthread_create(&t_a,NULL,thread2,(void *)NULL);/*create thread t_a*/
    pthread_create(&t_b,NULL,thread1,(void *)NULL); /*create thread t_b*/
    pthread_join(t_b, NULL);/*wait for exit of t_b*/
    pthread_join(t_a, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    exit(0);
}

void *thread1(void *junk)
{
    for(i=1;i<=9;i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(i%3==0)
             pthread_cond_signal(&cond);
        else
             printf("thread1 running, i = %d\n",i);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
}


void *thread2(void *junk)
{
    while(i<9)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(i%3!=0)
            pthread_cond_wait(&cond,&mutex);/*..*/
        printf("thread2 running, i = %d\n",i);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
}

输出：

thread1 running, i = 1
thread1 running, i = 2
thread2 running, i = 3
thread1 running, i = 4
thread1 running, i = 5
thread2 running, i = 6
thread1 running, i = 7
thread1 running, i = 8
thread2 running, i = 9

3. 生产者-消费者的实现

        生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的 线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消 费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。    

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX 5

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; /*初始化互斥锁*/
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;/*初始化条件变量*/

typedef struct{
  char buffer[MAX];
  int how_many;
}BUFFER;

BUFFER share={"",0};
char ch='A';/*初始化ch*/

void *producer(void *);
void *consumer(void *);

int main(void)
{
  pthread_t t_read;
  pthread_t t_write;

  pthread_create(&t_write,NULL,producer,(void *)NULL); /*创建进程t_a*/
  pthread_create(&t_read,NULL,consumer,(void *)NULL); /*创建进程t_b*/
  pthread_join(t_write,(void **)NULL);
  pthread_join(t_read, NULL);
  exit(0);
}

void *producer(void *junk)
{
  int n=0;

  printf("Producer: starting\n");

  while(ch!='K')
  {
      pthread_mutex_lock(&mutex);/*锁住互斥量*/
      if(share.how_many!=MAX)
      {
          share.buffer[share.how_many++]=ch++;/*把字母写入缓存*/
          printf("Producer: put char[%c]\n",ch-1);/*打印写入字母*/
          if(share.how_many==MAX)
          {
               printf("Producer: signaling full\n");
               pthread_cond_signal(&cond);/*如果缓存中的字母到达了最大值就发送信号*/
          }
      }
      pthread_mutex_unlock(&mutex);/*解锁互斥量*/
  }
  sleep(1);
  printf("Producer:Exiting\n");
  return NULL;
}

void *consumer(void *junk)
{
  int i;
  int n=0;
  printf("Consumer: starting\n");

  while(ch!='K')
  {
      pthread_mutex_lock(&mutex);/*锁住互斥量*/
      printf("\nConsumer : Waiting\n");
      while(share.how_many!=MAX)/*如果缓存区字母不等于最大值就等待*/
          pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
      printf("Consumer: getting buffer:: ");
      for(i=0;share.buffer[i]&&share.how_many;++i,share.how_many--)
          putchar(share.buffer[i]); /*循环输出缓存区字母*/
      putchar('\n');
      pthread_mutex_unlock(&mutex);/*解锁互斥量*/
  }
  printf("Consumer: exiting\n");
  return NULL;
}

输出：Producer: starting
Producer: put char[A]
Producer: put char[B]
Producer: put char[C]
Producer: put char[D]
Producer: put char[E]
Producer: signaling full
Consumer: starting

Consumer : Waiting
Consumer: getting buffer:: ABCDE

Consumer : Waiting
Producer: put char[F]
Producer: put char[G]
Producer: put char[H]
Producer: put char[I]
Producer: put char[J]
Producer: signaling full
Consumer: getting buffer:: FGHIJ
Consumer: exiting
Producer:Exiting

 

来源：http://blog.csdn.net/anzhsoft/article/details/19044069

         http://blog.csdn.net/anzhsoft2008/article/category/2123999