Linux 多线程 生产者消费者 问题

在 Linux 系统中,生产者和消费者问题是一个经典的多线程同步问题,用于描述如何在多线程环境中协调多个线程对共享资源的访问。这个问题通常涉及两个类型的线程:生产者线程和消费者线程。生产者线程负责生成数据并将其放入缓冲区,而消费者线程则从缓冲区中取出数据进行处理。

生产者和消费者问题的基本概念

  1. 生产者(Producer):

    • 生成数据并将其放入共享缓冲区。
    • 生产者必须在缓冲区满时等待,直到有空间可用。
  2. 消费者(Consumer):

    • 从共享缓冲区中取出数据进行处理。
    • 消费者必须在缓冲区空时等待,直到有数据可用。

共享资源和同步机制

为了确保线程安全并避免竞态条件,生产者和消费者通常使用以下同步机制:

  1. 互斥锁(Mutex):

    • 用于确保只有一个线程可以在任何给定时间内访问共享缓冲区。
    • 通过锁定和解锁操作来实现。
  2. 条件变量(Condition Variable):

    • 用于让线程在某些条件下等待或唤醒。
    • 生产者在缓冲区不满时发信号唤醒消费者,消费者在缓冲区有数据时发信号唤醒生产者。

让我们用一个更生动的例子来解释生产者-消费者问题中的条件变量和互斥锁的工作机制。

例子:餐厅的厨师和服务员

想象一下,有一个餐厅,里面有一个厨房(缓冲区)和一个用餐区。餐厅有两种工作人员:厨师(生产者)和服务员(消费者)。他们之间的协调就像在处理生产者-消费者问题。

场景设置
  • 厨房有一个有限大小的桌子(缓冲区),桌子上可以放一定数量的菜(数据)。
  • 厨师做菜(生产数据)并把菜放到桌子上。
  • 服务员从桌子上拿菜(消费数据)并把菜送到顾客那里。
  • 如果桌子满了,厨师就不能放菜,需要等待服务员拿走菜。
  • 如果桌子空了,服务员就不能拿菜,需要等待厨师放菜。
具体流程
  1. 厨师做菜并放在桌子上:

    • 厨师首先检查桌子上有没有空位。
    • 如果桌子满了,厨师就等待(进入等待状态)。
    • 如果桌子有空位,厨师把菜放在桌子上,然后通知服务员桌子上有新菜了。
    • 厨师然后继续做下一道菜。
  2. 服务员拿菜并送到顾客那里:

    • 服务员首先检查桌子上有没有菜。
    • 如果桌子空了,服务员就等待(进入等待状态)。
    • 如果桌子上有菜,服务员拿走菜并送到顾客那里,然后通知厨师桌子上有空位了。
    • 服务员然后继续拿下一道菜。

代码对应的具体场景

以下代码片段展示了这个过程:

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>#define BUFFER_SIZE 10int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond_producer;
pthread_cond_t cond_consumer;void* producer(void* arg) {while (1) {// 生成数据(例如:随机数)int item = rand() % 100;pthread_mutex_lock(&mutex);// 等待缓冲区有空位while (count == BUFFER_SIZE) {pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);}// 将数据放入缓冲区buffer[count++] = item;printf("Produced: %d\n", item);// 通知消费者有数据可用pthread_cond_signal(&cond_consumer);pthread_mutex_unlock(&mutex);// 模拟生产时间sleep(1);}
}void* consumer(void* arg) {while (1) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 等待缓冲区有数据while (count == 0) {pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex);}// 从缓冲区取出数据int item = buffer[--count];printf("Consumed: %d\n", item);// 通知生产者有空位可用pthread_cond_signal(&cond_producer);pthread_mutex_unlock(&mutex);// 模拟消费时间sleep(1);}
}int main() {pthread_t producer_thread, consumer_thread;pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_cond_init(&cond_producer, NULL);pthread_cond_init(&cond_consumer, NULL);pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);pthread_join(producer_thread, NULL);pthread_join(consumer_thread, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond_producer);pthread_cond_destroy(&cond_consumer);return 0;
}

运行结果:

解释
  1. 互斥锁(pthread_mutex_t mutex)

    • 互斥锁就像厨房的门,确保只有一个厨师或服务员可以进出厨房,以防止混乱。
  2. 条件变量(pthread_cond_t cond_producer 和 pthread_cond_t cond_consumer)

    • 条件变量就像门口的信号灯。
    • cond_producer 是厨师用来等待服务员拿走菜的信号灯。
    • cond_consumer 是服务员用来等待厨师放菜的信号灯。
  3. 厨师(producer)

    • 厨师检查厨房的桌子(缓冲区)是否满了。
    • 如果满了,厨师等待(等待cond_producer信号)。
    • 如果有空位,厨师放菜在桌子上,并通知服务员(发送cond_consumer信号)。
    • 然后,厨师离开厨房(解锁互斥锁),继续做下一道菜。
  4. 服务员(consumer)

    • 服务员检查厨房的桌子(缓冲区)是否有菜。
    • 如果桌子空了,服务员等待(等待cond_consumer信号)。
    • 如果有菜,服务员拿走菜,并通知厨师(发送cond_producer信号)。
    • 然后,服务员离开厨房(解锁互斥锁),继续送菜给顾客。

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