【Linux】生产消费模型实践 --- 基于信号量的环形队列

你送出去的每颗糖都去了该去的地方，
其实地球是圆的，
你做的好事终会回到你身上。
--- 何炅 ---

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基于信号量的环形队列

• [1 信号量](#1 信号量)
• [2 框架构建](#2 框架构建)
• [3 代码实现](#3 代码实现)
• [4 测试运行](#4 测试运行)

1 信号量

信号量本质是一个计数器，可以在初始化时对设置资源数量，进程 / 线程 可以获取信号量来对资源进行操作和结束操作可以释放信号量！

用于多进程 / 多线程 对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源(信号量也属于临界资源)，使得资源在一个时刻只有一个进程独享。 在资源只有一个时就一把互斥锁！

信号量只能进行两种操作获取等待和释放信号，即PV操作：

1. P(sv):我们将申请获取信号量称为P操作 ，申请信号量的本质就是申请获得临界资源中某块资源的使用权限，当申请成功时临界资源中资源的数目应该减去一。所以P操作的本质就是让计数器减一，如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行 。对应的接口为,使用很简单：

   #include <semaphore.h>
   //阻塞等待获取
   int sem_wait(sem_t *sem);
   //只进行一次获取，非阻塞等待
   int sem_trywait(sem_t *sem);
   //时间片内进行等待，超出就退出阻塞！
   int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

2. V(sv):我们将释放信号量称为V操作 ，释放信号量的本质就是归还临界资源中某块资源的使用权限，当释放成功时临界资源中资源的数目就应该加一。所以V操作本质就是让计数器加一，如果有其他进程 / 线程因等待sv而被挂起，就发送信号让它恢复运行，如果没有进程 / 线程因等待信号量而挂起，就给他加1 。对应接口为：

   #include <semaphore.h>
   //释放获取的信号量
   int sem_post(sem_t *sem);

PV操作都是原子的，不用担心线程安全！此外信号量初始化和销毁的接口是：

1. 信号量初始化：

   #include <semaphore.h>
   int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

   参数分别为：

   • sem_t *sem：传入信号量的地址
   • pshared：传入0值表示线程间共享，传入非零值表示进程间共享。
   • value：信号量的初始值（计数器的初始值）。

2. 信号量销毁：

   #include <semaphore.h>
   int sem_destroy(sem_t *sem);

2 框架构建

1. 环形队列的成员变量

   • 线性容器vector模拟环形队列
   • 最大容量 int _max_step
   • 消费者位置 _c_step 与 生产者位置 _p_step
   • 两个信号量来表示生产与消费的剩余容量
     sem_t _data_sem : 当前有多少数据
     sem_t _space_sem: 当前剩余空间还有多少

2. 构造函数初始化

   • 最大容量需要给值初始化
   • 两个初始位置都为 0
   • 信号量初始化 sem_init() 数据为 0 ，空间为 最大容量

3. Push接口用来加入数据

   • 首先需要申请信号量 P 来对空间信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
     获取信号量的本质是对资源 --
   • 生产进行插入 ， 对应下标向后移动 ， 注意不能越界
   • 最后进行释放信号量 V 来对资源信号量进行释放 sem_post()
     释放信号量的本质是对资源 ++

4. Pop接口用来获取数据

   • 首先需要申请信号量 P 来对资源信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
     获取信号量的本质是对资源 --
   • 获取队列资源，并进行释放， 对应下标向后移动 ， 注意不能越界
   • 最后进行释放信号量 V 来对空间信号量进行释放 sem_post()
     释放信号量的本质是对资源 ++

5. 多生产多消费改造：多个生产 / 消费线程存在 消费对消费 生产对生产的问题！

   • 信号量保证了单生产单消费中，两个线程可以通过信号量来保证不会出现访问越界 / 访问重叠的问题！
   • 多线程的情况下可能会发生访问同一位置的可能，获取到信号量之后由于中间的处理是临界区，可能会发生线程的切换，就会导致对同一位置进行处理，进而发生问题！
   • 为了保证线程安全，需要两把锁，分别管理生产者和消费者！
   • 锁的处理：
     • 获取信号量之后再进行加锁，获取信号量是原子的，先申请信号量可以保证多个线程在获取中进行排队等待。
     • 如果先加锁，就只能使一个线程进入到获取信号量的队列中，效率低（电影院先买票在排队 ，先排队再买票）

6.为什么信号量不加条件判断？:

在环形队列的实现中，没有使用条件变量，像阻塞队列一样进行条件的判断 而是直接来不管三七二十一进行获取信号量,因为信号量本身就是判断条件,信号量是用来描述内部资源的多少的，是原子的！本质是一个计数器 通过预订机制来保证内部资源的合理使用,当信号量的资源数量为1时和锁时等价的！

3 代码实现

#pragma once

#include <vector>
#include <semaphore.h>

const int default_cap = 5;

template <class T>
class RingQueue
{
public:
    RingQueue(int max_cap = default_cap) : _rq(max_cap), _max_cap(max_cap), _p_step(0), _c_step(0)
    {
        // 信号量初始化
        sem_init(&_space_sem, 0, _max_cap);
        sem_init(&_data_sem, 0, 0);
        //锁进行初始化
        pthread_mutex_init(&_c_mtx , nullptr);
        pthread_mutex_init(&_p_mtx , nullptr);
    }
    // 获取信号量
    void P(sem_t &sp)
    {
        sem_wait(&sp);
    }
    // 释放信号量
    void V(sem_t &sp)
    {
        sem_post(&sp);
    }
    // 插入操作
    void Push(const T &t)
    {
        // 获取空间信号量 --
        P(_space_sem);
        //临界区上锁
        pthread_mutex_lock(&_p_mtx );
        _rq[_p_step] = t;
        _p_step++;
        _p_step %= _max_cap;
        //解锁
        pthread_mutex_unlock(&_p_mtx);
        // 释放信号量 ++
        V(_data_sem);
    }
    // 获取操作
    void Pop(T *t)
    {
        // 获取资源信号量
        P(_data_sem);
        pthread_mutex_lock(&_c_mtx);
        *t = _rq[_c_step];
        _c_step++;
        _c_step %= _max_cap;
        pthread_mutex_unlock(&_c_mtx);
        // 释放信号量
        V(_space_sem);
    }
    ~RingQueue()
    {
        // 销毁对应信号量！
        sem_destroy(&_space_sem);
        sem_destroy(&_data_sem);
        //锁进行释放
        pthread_mutex_destroy(&_c_mtx);
        pthread_mutex_destroy(&_p_mtx);
    }

private:
    // 底层线性结构，模拟环形队列
    std::vector<T> _rq;
    // 最大容量
    int _max_cap;
    // 生产者/消费者 下标
    int _p_step;
    int _c_step;
    // 空间/资源 信号量
    sem_t _space_sem;
    sem_t _data_sem;
    // 生产 / 消费 锁
    pthread_mutex_t _p_mtx;
    pthread_mutex_t _c_mtx;

};

4 测试运行

我们来做一些简单测试，我们设计了Task类，用于执行加法操作。它包含两个整型参数_x和_y，并提供方法来执行加法并获取结果。通过重载括号运算符，Task对象可以被直接调用以执行计算。此外，类还提供了调试信息和结果输出的功能。

我写了一段代码段用于测试。在该测试中：定义了两个线程函数Consumer和Productor，分别模拟消费者和生产者行为：

1. Consumer线程不断从环形队列中取出Task对象，执行其操作，并打印消费结果。
2. Productor线程则持续生成新的Task对象并将其放入队列中，同时打印出生产信息。

主函数main中创建了一个容量为5的RingQueue<Task>实例，并启动了两个线程。pthread_create用于创建线程，pthread_join确保主线程等待子线程执行完毕。通过这种方式，我们验证了环形队列在多线程环境下的线程安全性和功能正确性。

#include <iostream>
#include "RingQueue.hpp"
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include "Task.hpp"

void *Consumer(void *args)
{
    RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);
    srand(time(nullptr) ^ getpid());
    while (true)
    {
        // 不断的进行获取
        Task data ;
        rq->Pop(&data);
        data();
        std::cout << "Consumer 消费者消费 -> " << data.result() << std::endl;

        sleep(1);
    }
}
void *Productor(void *args)
{
    RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);
    srand(time(nullptr) ^ getpid());
    while (true)
    {
        // 不断的进行写入
        int num1 = rand() % 10;
        usleep(1000);
        int num2 = rand() % 10;
        Task t(num1 , num2);
        rq->Push(t);
        std::cout << "Productor 生产者生产 -> " << t.debug() << std::endl;

        usleep(10000);
    }
}

int main()
{
    // 环形队列
    RingQueue<Task> rq(5);
    // 使用两个线程来测试
    pthread_t t1, t2;

    pthread_create(&t1, nullptr, Consumer, &rq);
    pthread_create(&t2, nullptr, Productor, &rq);

    pthread_join(t1, nullptr);
    pthread_join(t2, nullptr);
}

运行效果：

很好的完成了任务！！！