生产者消费者模型原理以及C++实现

一、生产者消费者问题概述

生产者、消费者问题也被称作有限缓冲问题。可以描述为：两个或者更多的线程共享同一个缓冲区，其中一个或多个线程作为"生产者"会不断地向缓冲区中添加数据，另一个或者多个线程作为"消费者"从缓冲区中取走数据。生产者、消费者模型关注的是以下几点：

1、生产者和消费者必须互斥的使用缓冲区。

2、缓冲区空时，消费者不能读取数据。

3、缓冲区满时，生产者不能添加数据。

二、生产者消费者模型的优点

1、解耦：因为多了一个缓冲区，所以生产者和消费者并不直接相互调用，这样生产者和消费者的代码发生变化，都不会对对方产生影响。这样其实就是把生产者和消费者之间的强耦合解开，变成了生产者和缓冲区，消费者和缓冲区。

2、支持并发：如果消费者直接从生产者拿数据，则消费者需要等待生产者生产数据，同样生产者需要等待消费者消费数据。而有了生产者、消费者模型，生产者和消费者可以是两个独立的并发主体。生产者把制造出来的数据添加到添加到缓冲区，就可以再去生产下一个数据了。而消费者也是一样的，从缓冲区中读取数据，不需要等待生产者。这样，生产者和消费者就可以并发的执行。

3、支持忙闲不均：如果消费者直接从生产者这里拿数据，而生产者生产数据很慢，消费者消费数据很 快，或者生产者生产数据很多，消费者消费数据很慢。都会造成占用CPU的时间片白白浪费。生产 者/消费者模型中，生产者只需要将生产的数据添加到缓冲区，缓冲区满了就不生产了。消费者从 缓冲区中读取数据，缓冲区空了就不消费了，使得生产者/消费者的处理能力达到一个动态的平 衡。

三、生产者、消费者模型的实现

假定缓冲池中有N个缓冲区，一个缓冲区只能存储一个int类型的数据。定义互斥锁mutex实现对缓 冲区的互斥访问；计数信号量dempty用来表示空闲缓冲区的数量，其初值为N；计数信号量dfull用来表 示有数据的缓冲区的数量，其初值为0

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <time.h>
#define BUFF_MAX 30 
#define SC_NUM 2
#define XF_NUM 3
int in = 0;
int out = 0;
sem_t sem_empty;
sem_t sem_full;pthread_mutex_t mutex;
int buff[BUFF_MAX] = {0};
void * sc_thread(void* arg)
{
    int index = (int)arg;
    while( 1 )
   {
        sem_wait(&sem_empty);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        buff[in] = rand()%100;
        printf("生产者%d 产生数据%d,in=%d\n",index,buff[in],in);
        in = (in + 1) % BUFF_MAX;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&sem_full);
        int n = rand() % 10;
        sleep(n);
   }
}
void * xf_thread(void* arg)
{
    int index = (int)arg;
    while(1)
   {
        sem_wait(&sem_full);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        printf("消费者%d 消费数据%d, out=%d\n",index,buff[out],out);
        out = (out+1) % BUFF_MAX;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&sem_empty);
        int n = rand() % 10;
        sleep(n);
   }
}
int main()
{
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    sem_init(&sem_empty,0,BUFF_MAX);
    sem_init(&sem_full,0,0);
    srand((int)time(NULL));
    pthread_t sc_id[SC_NUM];
    pthread_t xf_id[XF_NUM];
    int i = 0;
    for( ; i < SC_NUM; i++ )
   {
        pthread_create(&sc_id[i],NULL,sc_thread,(void*)i);
   }
    for( i = 0; i < XF_NUM; i++ ) 
   {
        pthread_create(&xf_id[i],NULL,xf_thread,(void*)i);
   }
    for( i = 0; i < SC_NUM; i++ )
   {
        pthread_join(sc_id[i],NULL);
   }
    for( i = 0; i < XF_NUM; i++ )
   {
        pthread_join(xf_id[i],NULL);
   }
    sem_destroy(&sem_empty);
    sem_destroy(&sem_full);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    exit(0);
}

简易版实现：（条件变量和互斥锁）

#include<iostream>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
#include<functional>
#include<vector>
#include<list>
using namespace std;

std::mutex mtx;
std::condition_variable pcv;
std::condition_variable scv;
std::list<int> ilist;
const int maxelem = 10;
const int n = 100;

//生产者生产任务
void Add()
{
	std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
	for(int i = 0;i<n;++i)
	{ 
		while (ilist.size() >= maxelem)
		{
			pcv.wait(lock);
		}
		ilist.push_back(i);
		scv.notify_all();
	}
}
//消费者消费任务
void Take(int task)
{
	std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
	while (ilist.size() == 0)
	{
		scv.wait(lock);
	}
	task = ilist.front();
	ilist.pop_front();
	pcv.notify_all();
}