基于互斥锁的生产者消费者模型

卜及中2023-08-22 21:22

文章目录

生产者消费者 定义

生产者消费者模型 是一种常用的 并发编程模型 ，用于解决多线程或多进程环境下的协作问题 。该模型包含两类角色：生产者和消费者。

生产者负责生成数据 ，并将数据存放到共享的缓冲区中。消费者则从缓冲区中获取数据并进行处理。生产者和消费者之间通过共享的缓冲区进行数据交互。

为了确保线程安全，生产者和消费者需要遵循一些规则：

  1. 如果缓冲区已满，则生产者需要等待直到有空间可用。
  2. 如果缓冲区为空，则消费者需要等待直到有数据可用。
  3. 生产者和消费者都不能访问缓冲区的内部结构，只能通过特定的接口进行操作。

代码实现 / 思路

完整代码

dart 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 生产者消费者模型
using namespace std;

#define TNUM 4 // 定义将使用的线程数
typedef void (*func_t)(const string& name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond);
volatile bool quit = false; // 退出信号，默认为false

// 定义一个具有名称、函数和同步机制（互斥锁和条件变量）的线程数据结构
// 用于传递线程相关的信息和共享资源给不同的线程，实现线程间的通信和同步
class ThreadData
{
public:
    ThreadData(const string& name, func_t func, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
        : _name(name), _func(func), _pmtx(pmtx), _pcond(pcond) {}

public:
    // 成员变量
    string _name; // 线程名
    func_t _func; // 函数指针
    pthread_mutex_t* _pmtx; // 互斥锁指针
    pthread_cond_t* _pcond; // 条件变量指针
};


void func1(const string& name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(!quit)
    {
        // wait 需要在加锁和解锁之间
        pthread_mutex_lock(pmtx); // 加锁
        //
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx); // 默认该线程在执行时，wait 代码被执行，当前线程会被立即阻塞
        cout << name << " running <-> 播放" << endl;
        pthread_mutex_unlock(pmtx); // 解锁
    }
}

void func2(const string& name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(!quit)
    {
        // 加锁 等待 解锁
        pthread_mutex_lock(pmtx);
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx);
        cout << name << " running <-> 下载" << endl;
        pthread_mutex_unlock(pmtx);
    }
}

void func3(const string& name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
   while(!quit)
   {
       // 加锁 等待 解锁
       pthread_mutex_lock(pmtx);
       pthread_cond_wait(pcond, pmtx);
       cout << name << " running <-> 刷新" << endl;
       pthread_mutex_unlock(pmtx);
   }
}

void func4(const string& name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
   while(!quit)
   {
       // 加锁 等待 解锁
       pthread_mutex_lock(pmtx);
       pthread_cond_wait(pcond, pmtx);
       cout << name << " running <-> 扫码用户信息" << endl;
       pthread_mutex_unlock(pmtx);
   }
}

// 线程入口函数
void* Entry(void *args)
{
    ThreadData* td = (ThreadData*)args; // 获取线程所需的数据
    td->_func(td->_name, td->_pmtx, td->_pcond);
    delete td;
    return nullptr;
}

int main()
{
    // 初始化互斥锁mtx 和 条件变量cond
    pthread_mutex_t mtx;
    pthread_cond_t cond;
    pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);
    pthread_cond_init(&cond, nullptr);

    // 创建 TNUM 个线程，并将每个线程相关的函数和共享的互斥锁、条件变量传递给线程的入口函数 Entry。
    // 每个线程都有一个不同的名称和要执行的函数（func）
    pthread_t tids[TNUM];
    func_t funcs[TNUM] = {func1, func2, func3, func4};
    for (int i = 0; i < TNUM; i++)
    {
        string name = "Thread ";
        name += to_string(i+1);
        ThreadData *td = new ThreadData(name, funcs[i], &mtx, &cond);
        pthread_create(tids + i, nullptr, Entry, (void*)td); // 创建线程
    }

    // 调用 pthread_cond_signal 函数向条件变量发送信号，通知等待该条件的线程可以继续运行
    int cnt = 20;
    while(cnt)
    {
        cout << "resume thread run code ...." << cnt-- << endl << endl; // 打印输出当前计数器的值，并将计数器减一
        pthread_cond_signal(&cond); // 恢复线程
        sleep(1);
    }

    // 代码设置 quit 标志为 true，
    // 调用 pthread_cond_broadcast 函数向所有等待该条件的线程广播信号
    cout << "ctrl done" << endl;
    quit = true;
    pthread_cond_broadcast(&cond); // 唤醒所有等待在条件变量 cond 上的线程

    // 使用 pthread_join 等待所有线程的完成，然后销毁互斥锁和条件变量
    for(int i = 0; i < TNUM; i++)
    {
        pthread_join(tids[i], nullptr);
        cout << "thread: " << tids[i] << "quit" << endl;
    }

    pthread_mutex_destroy(&mtx);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}
  1. 定义了4个线程函数 func1、func2、func3、func4，分别代表4个线程的执行逻辑。
  2. 定义了一个ThreadData类，用于封装线程相关的信息和共享资源。
  3. 在主函数 中，创建了4个线程 ，并将每个线程的名称、函数指针、互斥锁和条件变量传递给ThreadData对象，然后通过 pthread_create函数创建线程。
  4. 主线程通过循环调用 pthread_cond_signal函数 向条件变量发送信号，唤醒一个等待该条件的线程，然后休眠1秒钟。
  5. 当计数器cnt减为0 时，主线程设置quit标志为true，并通过pthread_cond_broadcast函数向所有等待该条件的线程广播信号，通知它们可以退出。
  6. 使用pthread_join函数等待所有线程的完成 ，然后销毁互斥锁和条件变量。

其中，在整段代码中，func1、func2、func3和func4函数分别代表消费者，而主函数中通过循环调用 pthread_cond_signal函数唤醒等待条件变量的线程部分 代表生产者。

具体来说：

  • func1函数代表一个消费者，它的执行逻辑是"播放"。
  • func2函数代表另一个消费者，它的执行逻辑是"下载"。
  • func3函数代表第三个消费者，它的执行逻辑是"刷新"。
  • func4函数代表第四个消费者，它的执行逻辑是"扫描用户信息"。

而在主函数中的循环调用pthread_cond_signal函数，将信号发送给条件变量cond，可以唤醒等待该条件的线程。这里的循环调用部分代表生产者，通过不断唤醒等待的消费者线程来模拟生产者产生了数据（信号）。

执行逻辑 / 思路

  1. 首先，主函数开始执行。在主函数中，初始化了互斥锁 mtx和条件变量 cond。

  2. 接下来，使用循环创建了4个线程 ，并将每个线程对应的名称、函数指针、互斥锁和条件变量传递给ThreadData对象，然后通过pthread_create函数创建线程。这样就创建了4个消费者线程。

  3. 主线程进入一个循环 ，循环执行20次。在每次循环中，输出当前计数器的值，并将计数器减一 。然后通过pthread_cond_signal函数向条件变量发送信号 ，唤醒一个等待该条件的线程。主线程休眠1秒钟，再进行下一次循环。这部分模拟了生产者产生数据的过程。

  4. 当计数器cnt减为0 时，主线程将quit标志设置为true ，表示停止生产数据。

  5. 主线程调用pthread_cond_broadcast函数向所有等待条件变量的线程广播信号，通知它们可以退出 。这部分模拟了生产者通知消费者停止消费的过程。

  6. 最后，主线程通过pthread_join函数等待所有线程的完成。每个消费者线程会不断地等在条件变量上，在接收到信号后执行相应的操作，直到收到停止信号。

  7. 当所有线程完成后，主线程销毁互斥锁和条件变量，程序结束。

总结起来，这段代码的逻辑是创建了4个消费者线程，每个线程都等待条件变量的信号，然后执行相应的操作。主线程作为生产者，通过发送信号唤醒消费者线程来模拟生产数据的过程。最后，当需要停止生产数据时，主线程发送停止信号给消费者线程，消费者线程收到信号后执行完当前操作后退出。整个过程实现了一个简单的生产者消费者模型。

局部具体分析

model.cc

正常编写代码时，为了不污染命名空间，避免命名冲突，一般不会直接进行 using namespcade std; 这里为了方便，直接进行引用。

dart 复制代码 
#define TNUM 4 // 定义将使用的线程数
typedef void (*func_t)(const string& name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond);
volatile bool quit = false; // 退出信号，默认为false

// 定义一个具有名称、函数和同步机制（互斥锁和条件变量）的线程数据结构
// 用于传递线程相关的信息和共享资源给不同的线程，实现线程间的通信和同步
class ThreadData
{
public:
    ThreadData(const string& name, func_t func, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
        : _name(name), _func(func), _pmtx(pmtx), _pcond(pcond) {}

public:
    // 成员变量
    string _name; // 线程名
    func_t _func; // 函数指针
    pthread_mutex_t* _pmtx; // 互斥锁指针
    pthread_cond_t* _pcond; // 条件变量指针
};

解释：

  • func_t 是一个函数指针类型，可以指向一个接受 const string& 类型参数、 pthread_mutex_t* 类型参数和 pthread_cond_t* 类型参数的函数，返回类型为 void 。 用于后续对接线程的功能函数。
  • ThreadData 是 一个具有名称、函数和同步机制（互斥锁和条件变量）的线程数据结构。用于传递线程相关的信息和共享资源给不同的线程，实现线程间的通信和同步

func（消费者线程）

dart 复制代码 
void func1(const string& name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(!quit)
    {
        // wait 需要在加锁和解锁之间
        pthread_mutex_lock(pmtx); // 加锁
        //
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx); // 默认该线程在执行时，wait 代码被执行，当前线程会被立即阻塞
        cout << name << " running <-> 播放" << endl;
        pthread_mutex_unlock(pmtx); // 解锁
    }
}
  • 以func1 为例：
  1. 进入一个无限循环，直到全局变量 quit为true才退出。
  2. 在循环内部，首先使用pthread_mutex_lock加锁，保证线程独占互斥锁。
  3. 调用pthread_cond_wait等待条件变量 ，当前线程会被阻塞并释放互斥锁，直到其他线程调用 pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast来发送信号唤醒该线程。
  4. 当线程被唤醒后，输出名称 和"running <-> 播放"的信息。
  5. 最后使用pthread_mutex_unlock解锁互斥锁。

执行结果

在linux下，可以看出来：

当我们执行程序后，四个线程会不断地执行四种操作，并且在一个线程结束当前任务之前，其他线程会进行等待，最后输出线程退出信息。

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