C++ 实现生产者消费者模型 （线程同步、互斥锁、条件变量锁）详细注释

代码结构

• 任务：这里用一个int类型的taskNumber代替任务
• 任务队列类：封装了任务队列，存，取等操作。
• 生产者工作函数：生产者执行的函数，向任务队列中添加任务，每个生产者生产3个任务
• 消费者工作函数：消费者执行的函数，从任务队列中拿任务，如果5秒内一直没有任务，则销毁

C++实现代码

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#include 
#include 
using namespace std;

int taskNumber = 0; //任务

class task_queue{
public:
    // 构造函数
    task_queue(int maxNum=10){
        this->maxNum = maxNum;
    }
    // 添加任务
    void add_task(int i){  //i为生产者编号
        myMutex.lock(); // 访问临界资源，加锁
        // 这里必须使用while而不是if，考虑以下情况：
        // A B两个线程同时因为任务队列满而阻塞，现在来了一个空位置，AB同时解除阻塞（因为我们用的是notify_all()函数唤醒所有线程）
        // 这时假设A抢到了互斥锁myMutex并添加任务，之后释放myMutex。这时B又抢到锁，但是还没有空位置，如果用if就会出错。所以需要while循环判断是否有任务
        while(q.size() == maxNum){ //如果任务队列已经满了
            condFull.wait(myMutex); //条件锁阻塞
        }
        q.push(++taskNumber); //添加任务
        condEmpty.notify_all(); //告知因为没有任务而被阻塞的消费者线程解除阻塞
        cout<<"【任务"<<taskNumber<<"】已经被【生产者"<<i<<"】添加到任务队列中"<<endl;
        myMutex.unlock(); //解锁
        
        sleep(1);
        
    }
    // 弹出任务
    bool get_task(int i){ //i为消费者编号
        myMutex.lock(); // 访问临界资源，加锁
        // 使用while而不是if的原因同上，如果条件锁的唤醒函数使用的是notify_one()函数，理论上可以使用if
        while(q.empty()){ //任务队列为空，则等待
            cv_status flag =condEmpty.wait_for( myMutex, chrono::seconds(5)); //等待5秒
            if(flag == std::__1::cv_status::timeout){ //timeout表示5秒都没有任务
                cout<<"【子线程"<<i<<"】退出"<<endl;
                myMutex.unlock(); //这里要解锁，不然退出的线程会一直占用互斥锁导致死锁
                return false; // 等待5秒都没有任务要执行，则退出线程
            }
        }
        int x = q.front(); //取任务
        q.pop();
        condEmpty.notify_all(); //告知因为任务队列满而阻塞的生产者解除阻塞
        cout<<"【消费者"<<i<<"】正在执行【任务"<<x<<"】......"<<endl;
        myMutex.unlock(); //互斥锁解锁
        sleep(1);
        return true;
        
    }
    // 获得当前任务数目
    int get_task_num(){
        lock_guard<mutex>my_lock_guard(myMutex); //使用lockguard自动释放锁
        return (int)q.size();
    }
    
    // 获得最大任务数据
    int get_task_max_num(){
        lock_guard<mutex>my_lock_guard(myMutex); //使用lockguard自动释放锁
        return maxNum;
    }
    
private:
    queue<int>q; //假设一个int代表一个任务task
    int maxNum; //最大任务数
    mutex myMutex; // 临界资源互斥锁
    condition_variable_any condFull; // 任务队列满条件锁
    condition_variable_any condEmpty; // 任务队列空条件锁
};



void producer_task(task_queue &q, int i){ // 生产者工作函数,每个生产者生产3个任务, i(0~4)代表生产者编号
    int num=3;
    while(num--){
        q.add_task(i);
//        sleep(1);
    }
}
void consumer_task(task_queue &q, int i){ // 消费者工作函数，消费者循环消费任务，如果5秒内没有任务则停止工作
    while(1){
        bool flag = q.get_task(i);
//        sleep(1);
        if(flag==false)break;
    }
}

int main(){
    task_queue q(5); //最大任务数为5
    thread producer[5]; // 5个生产者对象
    thread consumer[5]; // 5个消费者对象
    for(int i=0;i<5;++i){
//        producer[i] = thread(&task_queue::add_task, &q, i,i); //给生产者指定任务
//        consumer[i] = thread(&task_queue::get_task, &q,i); //给消费者指定任务
        producer[i] = thread(producer_task, ref(q),i); //给生产者指定任务
        consumer[i] = thread(consumer_task, ref(q),i); //给消费者指定任务
        
    }
    
    for(int i=0;i<5;++i){ //主线程等待子线程执行完毕
        producer[i].join();
        consumer[i].join();
    }
    
    return 0;
}

运行结果：

尾部的运行结果，可以看出任务是按照添加的顺序执行的，在等待5秒之后，线程依次退出