Linux 系统应用编程——多线程经典问题（生产者-消费者）

 “生产者——消费者”问题是Linux多线程编程中的经典问题，主要是利用信号量处理线程间的同步和互斥问题。

         “生产者——消费者”问题描述如下：

          有一个有限缓冲区（这里用有名管道实现 FIFO 式缓冲区）和两个线程：生产者和消费者，它们分别不停地把产品放入缓冲区中拿走产品。一个生产者在缓冲区满的时候必须等待，一个消费者在缓冲区空的时候也不IXUS等待。另外，因为缓冲区是临界资源，所以生产者和消费者之间必须互斥进行。它们之间的关系如下：


这里要求使用有名管道来模拟有限缓冲区，并用信号量来解决“生产者——消费者”问题中的同步和互斥问题。


1、信号量分析

        这里使用3个信号量，其中两个信号量 avail 和 full 分别用于解决生产者和消费者线程之间的互斥问题。其中avail 表示缓冲区的空单元数，初始值为N；full 表示缓冲区非空单元数，初始值为 0 ； mutex 是互斥信号量 ，初始值为 1(当然也可以用互斥锁来实现互斥操作)。

2、画出流程图


3、编写代码

        本实验的代码中缓冲区拥有3个单元，每个单元为5个字节。为了尽量体现每个信号量的意义，在程序中生产过程和消费过程是随机（采取0~5s 的随机事件间隔）进行的，而且生产者的速度比消费者的速度平均快两倍左右。生产者一次生产一个单元的产品（放入hello字符串），消费者一次消费一个单元的产品。

[cpp] view plaincopy
  1. #include <stdio.h>  
  2. #include <stdlib.h>  
  3. #include <string.h>  
  4. #include <unistd.h>  
  5. #include <pthread.h>  
  6. #include <sys/types.h>  
  7. #include <time.h>  
  8. #include <fcntl.h>  
  9. #include <semaphore.h>  
  10. #include <sys/ipc.h>  
  11. #include <errno.h>  
  12. #define MYFIFO "myfifo"  
  13. #define BUFFER_SIZE 3  
  14. #define UNIT_SIZE 5  
  15. #define RUN_TIME 30  
  16. #define DELAY_TIME_LEVELS 5.0  
  17.   
  18. void *producer(void *arg);  
  19. void *customer(void *arg);  
  20.   
  21. int fd;  
  22. time_t end_time;  
  23. sem_t mutex,full,avail;  
  24.   
  25. int main()  
  26. {  
  27.     int ret;  
  28.     pthread_t thrd_prd_id,thrd_cst_id;  
  29.   
  30.     srand(time(NULL));  
  31.     end_time = time(NULL) + RUN_TIME;  
  32.   
  33.         /*创建有名管道*/  
  34.     if((mkfifo(MYFIFO,0644) < 0) && (errno != EEXIST))  
  35.     {  
  36.         perror("mkfifo error!");  
  37.         exit(-1);  
  38.     }  
  39.   
  40.         /*打开管道*/  
  41.     fd = open(MYFIFO,O_RDWR);  
  42.     if(fd == -1)  
  43.     {  
  44.         perror("open fifo error");  
  45.         exit(-1);  
  46.     }  
  47.   
  48.         /*初始化互斥信号量为1*/  
  49.     ret = sem_init(&mutex,0,1);  
  50.         /*初始化avail信号量为 N */  
  51.     ret += sem_init(&avail,0,BUFFER_SIZE);  
  52.     /*初始化full信号量为0*/  
  53.     ret += sem_init(&full,0,0);  
  54.   
  55.     if(ret != 0)  
  56.     {  
  57.         perror("sem_init error");  
  58.         exit(-1);  
  59.     }  
  60.   
  61.         /*创建两个线程*/  
  62.     ret = pthread_create(&thrd_prd_id,NULL,producer,NULL);  
  63.     if(ret != 0)  
  64.     {  
  65.         perror("producer pthread_create error");  
  66.         exit(-1);  
  67.     }  
  68.   
  69.     ret = pthread_create(&thrd_cst_id,NULL,customer,NULL);  
  70.     if(ret != 0)  
  71.     {  
  72.         perror("customer pthread_create error");  
  73.         exit(-1);  
  74.     }  
  75.   
  76.     pthread_join(thrd_prd_id,NULL);  
  77.     pthread_join(thrd_cst_id,NULL);  
  78.     close(fd);  
  79.     unlink(MYFIFO);  
  80.   
  81.     return 0;  
  82. }  
  83.   
  84. void *producer(void *arg) //生产者线程  
  85. {  
  86.     int real_write;  
  87.     int delay_time;  
  88.   
  89.     while(time(NULL) < end_time)  
  90.     {  
  91.         delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/RAND_MAX/2.0) + 1;  
  92.         sleep(delay_time);  
  93.   
  94.                 /*P操作信号量avail和mutex*/  
  95.         sem_wait(&avail);  
  96.         sem_wait(&mutex);  
  97.         printf("\nproducer have delayed %d seconds\n",delay_time);  
  98.   
  99.                 /*生产者写入数据*/  
  100.         if((real_write = write(fd,"hello",UNIT_SIZE)) == -1)  
  101.         {  
  102.             if(errno == EAGAIN)  
  103.             {  
  104.                 printf("The buffer is full,please wait for reading!\n");  
  105.             }  
  106.         }  
  107.         else  
  108.         {  
  109.             printf("producer writes %d bytes to the FIFO\n",real_write);          
  110.             printf("Now,the buffer left %d spaces!\n",avail);  
  111.         }  
  112.                 /*V操作信号量full 和 mutex*/  
  113.         sem_post(&full);  
  114.         sem_post(&mutex);  
  115.     }  
  116.     pthread_exit(NULL);  
  117. }  
  118.   
  119. void *customer(void *arg) //消费者线程  
  120. {  
  121.     unsigned char read_buffer[UNIT_SIZE];  
  122.     int real_read;  
  123.     int delay_time;  
  124.   
  125.     while(time(NULL) < end_time)  
  126.     {  
  127.         delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/RAND_MAX/2.0) + 1;  
  128.         sleep(delay_time);  
  129.   
  130.         sem_wait(&full); //P操作信号量full和mutex  
  131.         sem_wait(&mutex);  
  132.         memset(read_buffer,0,UNIT_SIZE);  
  133.         printf("\nCustomer have delayed %d seconds\n",delay_time);  
  134.   
  135.         if((real_read = read(fd,read_buffer,UNIT_SIZE)) == -1)  
  136.         {  
  137.             if(errno == EAGAIN)  
  138.             {  
  139.                 printf("The buffer is empty,please wait for writing!\n");  
  140.             }  
  141.         }  
  142.         else  
  143.         {  
  144.             printf("customer reads %d bytes from the FIFO\n",real_read);          
  145.         }  
  146.   
  147.         sem_post(&avail); //V操作信号量 avail 和 mutex  
  148.         sem_post(&mutex);         
  149.     }  
  150.   
  151.     pthread_exit(NULL);  
  152. }  

执行结果如下：

[cpp] view plaincopy
  1. fs@ubuntu:~/qiang/pthread$ ./cust_prod   
  2.   
  3. producer have delayed 2 seconds  
  4. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  5. Now,the buffer left 2 spaces!  
  6.   
  7. Customer have delayed 2 seconds  
  8. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  9.   
  10. producer have delayed 2 seconds  
  11. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  12. Now,the buffer left 2 spaces!  
  13.   
  14. Customer have delayed 2 seconds  
  15. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  16.   
  17. producer have delayed 2 seconds  
  18. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  19. Now,the buffer left 2 spaces!  
  20.   
  21. Customer have delayed 2 seconds  
  22. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  23.   
  24. producer have delayed 1 seconds  
  25. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  26. Now,the buffer left 2 spaces!  
  27.   
  28. Customer have delayed 2 seconds  
  29. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  30.   
  31. producer have delayed 1 seconds  
  32. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  33. Now,the buffer left 2 spaces!  
  34.   
  35. Customer have delayed 3 seconds  
  36. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  37.   
  38. producer have delayed 3 seconds  
  39. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  40. Now,the buffer left 2 spaces!  
  41.   
  42. producer have delayed 1 seconds  
  43. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  44. Now,the buffer left 1 spaces!  
  45.   
  46. Customer have delayed 2 seconds  
  47. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  48.   
  49. Customer have delayed 1 seconds  
  50. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  51.   
  52. producer have delayed 3 seconds  
  53. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  54. Now,the buffer left 2 spaces!  
  55.   
  56. Customer have delayed 1 seconds  
  57. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  58.   
  59. producer have delayed 2 seconds  
  60. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  61. Now,the buffer left 2 spaces!  
  62.   
  63. Customer have delayed 2 seconds  
  64. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  65.   
  66. producer have delayed 1 seconds  
  67. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  68. Now,the buffer left 2 spaces!  
  69.   
  70. Customer have delayed 2 seconds  
  71. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  72.   
  73. producer have delayed 1 seconds  
  74. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  75. Now,the buffer left 2 spaces!  
  76.   
  77. producer have delayed 1 seconds  
  78. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  79. Now,the buffer left 1 spaces!  
  80.   
  81. Customer have delayed 2 seconds  
  82. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  83.   
  84. producer have delayed 2 seconds  
  85. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  86. Now,the buffer left 1 spaces!  
  87.   
  88. Customer have delayed 3 seconds  
  89. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  90.   
  91. Customer have delayed 1 seconds  
  92. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  93.   
  94. producer have delayed 3 seconds  
  95. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  96. Now,the buffer left 2 spaces!  
  97.   
  98. producer have delayed 1 seconds  
  99. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  100. Now,the buffer left 1 spaces!  
  101.   
  102. Customer have delayed 2 seconds  
  103. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  104.   
  105. Customer have delayed 1 seconds  
  106. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  107.   
  108. producer have delayed 3 seconds  
  109. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  110. Now,the buffer left 2 spaces!  
  111.   
  112. Customer have delayed 2 seconds  
  113. customer reads 5 bytes from the FIFO  
  114.   
  115. producer have delayed 2 seconds  
  116. producer writes 5 bytes to the FIFO  
  117. Now,the buffer left 2 spaces!  
  118. fs@ubuntu:~/qiang/pthread$  

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