＜Linux＞ 信号量

这个男人叫小帅2024-10-15 20:36

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一、POSIX信号量

[1. 信号量的原理](#1. 信号量的原理)

[2. 信号量的概念](#2. 信号量的概念)

[3. 信号量函数](#3. 信号量函数)

[3.1 初始化信号量](#3.1 初始化信号量)

[3.2 销毁信号量](#3.2 销毁信号量)

[3.3 信号量等待](#3.3 信号量等待)

[3.4 发布信号量](#3.4 发布信号量)

[4. 二元信号量模拟实现互斥功能](#4. 二元信号量模拟实现互斥功能)

二、基于环形队列的生产消费模型

[1. 环形队列模型](#1. 环形队列模型)

[2. 生产者和消费者申请和释放资源](#2. 生产者和消费者申请和释放资源)

[3. 必须遵守的两个规则](#3. 必须遵守的两个规则)

[4. 信号量保护环形队列的原理](#4. 信号量保护环形队列的原理)

[5. 实现](#5. 实现)

一、POSIX信号量

POSIX信号量和SystemV信号量作用相同，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源目的。 但POSIX可以用于线程间同步。

1. 信号量的原理

  • 我们将可能会被多个执行流同时访问的资源叫做共享资源，共享资源需要进行保护否则会出现数据不一致等问题。
  • 当我们仅用一个互斥锁对临界资源进行保护时，相当于我们将这块临界资源看作一个整体，同一时刻只允许一个执行流对这块临界资源进行访问。
  • 但实际我们可以将这块临界资源再分割为多个区域，当多个执行流需要访问临界资源时，如果这些执行流访问的是临界资源的不同区域，那么我们可以让这些执行流同时访问临界资源的不同区域，此时不会出现数据不一致等问题。

2. 信号量的概念

信号量（信号灯）本质是一个计数器，是描述临界资源中资源数目的计数器，信号量能够更细粒度的对临界资源进行管理，本质是资源的预定

每个执行流在进入临界区之前都应该先申请信号量，申请成功就有了操作特定的临界资源的权限，当操作完毕后就应该释放信号量。

信号量的PV操作：

  • **P操作：**我们将申请信号量称为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一，因此P操作的本质就是让计数器减一。
  • **V操作：**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，因此V操作的本质就是让计数器加一。

PV操作必须是原子操作

多个执行流为了访问临界资源会竞争式的申请信号量，因此信号量是会被多个执行流同时访问的，也就是说信号量本质也是临界资源。

但信号量本质就是用于保护临界资源的，我们不可能再用信号量去保护信号量，所以信号量的PV操作必须是原子操作。

信号量一旦申请成功，内部就不需要再判断临界资源是否就绪了（我们之前使用条件变量的while就是判断临界资源是否就绪），因为信号量本质是一个计数器，这个计数器的本质就是描述临界资源数量的，我们申请信号量成功，就表明之后的资源预定成功，一定有你的一份，失败则表明之后的资源你不会有，信号量把临界资源是否就绪的判断放在了临界区之外，即不用在申请锁之后还要判断临界资源是否就绪，申请信号量的时候就已经间接判断了

注意： 内存当中变量的++、-- 操作并不是原子操作，因此信号量不可能只是简单的对一个全局变量进行++、--操作。

申请信号量失败被挂起等待

当执行流在申请信号量时，可能此时信号量的值为0，也就是说信号量描述的临界资源已经全部被申请了，此时该执行流就应该在该信号量的等待队列当中进行等待，直到有信号量被释放时再被唤醒。

**注意：**信号量的本质是计数器，但不意味着只有计数器，信号量还包括一个等待队列。

3. 信号量函数

3.1 初始化信号量

初始化信号量的函数叫做sem_init，该函数的函数原型如下：

cpp 复制代码 
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

参数说明：

  • sem：需要初始化的信号量。
  • 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）。

返回值说明：

  • 初始化信号量成功返回0，失败返回-1。

注意： POSIX信号量和System V信号量作用相同，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源目的，但POSIX信号量可以用于线程间同步。

3.2 销毁信号量

销毁信号量的函数叫做sem_destroy，该函数的函数原型如下：

cpp 复制代码 
int sem_destroy(sem_t *sem);

参数说明：

  • sem：需要销毁的信号量。

返回值说明：

  • 销毁信号量成功返回0，失败返回-1。
3.3 信号量等待

等待信号量的函数叫做sem_wait，该函数的函数原型如下：

cpp 复制代码 
int sem_wait(sem_t *sem);

参数说明：

  • sem：需要等待的信号量。

返回值说明：

  • 等待信号量成功返回0，信号量的值减一。
  • 等待信号量失败返回-1，信号量的值保持不变。
3.4 发布信号量

发布信号量的函数叫做sem_post，该函数的函数原型如下：

cpp 复制代码 
int sem_post(sem_t *sem);

参数说明：

  • sem：需要发布的信号量。

返回值说明：

  • 发布信号量成功返回0，信号量的值加一。
  • 发布信号量失败返回-1，信号量的值保持不变。

4. 二元信号量模拟实现互斥功能

信号量本质是一个计数器，如果将信号量的初始值设置为1，那么此时该信号量叫做二元信号量。

信号量的初始值为1，说明信号量所描述的临界资源只有一份，此时信号量的作用基本等价于互斥锁。

还是以之前的抢票系统为例，我们用使用二元信号量模拟实现多线程互斥。让每个线程在访问全局变量tickets之前先申请信号量，访问完毕后再释放信号量，此时二元信号量就达到了互斥的效果

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

class Sem{
public:
	Sem(int num)
	{
		sem_init(&_sem, 0, num);
	}
	~Sem()
	{
		sem_destroy(&_sem);
	}
	void P()
	{
		sem_wait(&_sem);
	}
	void V()
	{
		sem_post(&_sem);
	}
private:
	sem_t _sem;
};

Sem sem(1); //二元信号量
int tickets = 2000;
void* TicketGrabbing(void* arg)
{
	std::string name = (char*)arg;
	while (true){
		sem.P();
		if (tickets > 0){
			usleep(1000);
			std::cout << name << " get a ticket, tickets left: " << --tickets << std::endl;
			sem.V();
		}
		else{
			sem.V();
			break;
		}
	}
	std::cout << name << " quit..." << std::endl;
	pthread_exit((void*)0);
}

int main()
{
	pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;
	pthread_create(&tid1, nullptr, TicketGrabbing, (void*)"thread 1");
	pthread_create(&tid2, nullptr, TicketGrabbing, (void*)"thread 2");
	pthread_create(&tid3, nullptr, TicketGrabbing, (void*)"thread 3");
	pthread_create(&tid4, nullptr, TicketGrabbing, (void*)"thread 4");
	
	pthread_join(tid1, nullptr);
	pthread_join(tid2, nullptr);
	pthread_join(tid3, nullptr);
	pthread_join(tid4, nullptr);
	return 0;
}

运行代码后就不会出现剩余票数为负的情况了，因为此时同一时刻只会有一个执行流对全局变量tickets进行访问，不会出现数据不一致的问题。

二、基于环形队列的生产消费模型

1. 环形队列模型

生产者和消费者不访问同一个数据，此时可以并发访问。例如一个餐厅的大转盘，甲在往大转盘上的一个盘子里放苹果时，乙不能伸手到甲正在放苹果的盘子里拿苹果，并且甲会按顺序在大转盘上的每一个盘子里放苹果，乙只能在甲屁股后面拿甲已经放过苹果的盘子里的苹果，此时甲乙就是并发访问循环队列

  • 甲、乙不能同时访问同一个盘子，如果指向同一个位置，那么只能有一个人访问
  • 乙不能超过甲
  • 甲不能超过乙一周

用两个信号量space_sem、data_sem 保证这个规则

生产者关注的是空间资源，消费者关注的是数据资源

对于生产者和消费者来说，它们关注的资源是不同的：

  • 生产者关注的是环形队列当中是否有空间（SpaceSem），只要有空间生产者就可以进行生产。
  • 消费者关注的是环形队列当中是否有数据（DataSem），只要有数据消费者就可以进行消费。

space_sem 和 data_sem的初始值设置

现在我们用信号量来描述环形队列当中的空间资源（blank_sem）和数据资源（data_sem），在我们初始信号量时给它们设置的初始值是不同的：

  • blank_sem的初始值我们应该设置为环形队列的容量，因为刚开始时环形队列当中全是空间。
  • data_sem的初始值我们应该设置为0，因为刚开始时环形队列当中没有数据。

2. 生产者和消费者申请和释放资源

生产者申请空间资源，释放数据资源

对于生产者来说，生产者每次生产数据前都需要先申请space_sem：

  • 如果space_sem的值不为0，则信号量申请成功，此时生产者可以进行生产操作。
  • 如果space_sem的值为0，则信号量申请失败，此时生产者需要在space_sem的等待队列下进行阻塞等待，直到环形队列当中有新的空间后再被唤醒。

当生产者生产完数据后，应该释放data_sem：

  • 虽然生产者在进行生产前是对space_sem进行的P操作，但是当生产者生产完数据，应该对data_sem进行V操作而不是space_sem。
  • 生产者在生产数据前申请到的是blank位置，当生产者生产完数据后，该位置当中存储的是生产者生产的数据，在该数据被消费者消费之前，该位置不再是space位置，而应该是data位置。
  • 当生产者生产完数据后，意味着环形队列当中多了一个data位置，因此我们应该对data_sem进行V操作。

消费者申请数据资源，释放空间资源

对于消费者来说，消费者每次消费数据前都需要先申请data_sem：

  • 如果data_sem的值不为0，则信号量申请成功，此时消费者可以进行消费操作。
  • 如果data_sem的值为0，则信号量申请失败，此时消费者需要在data_sem的等待队列下进行阻塞等待，直到环形队列当中有新的数据后再被唤醒。

当消费者消费完数据后，应该释放 space_sem**：**

  • 虽然消费者在进行消费前是对data_sem进行的P操作，但是当消费者消费完数据，应该对space_sem进行V操作而不是data_sem。
  • 消费者在消费数据前申请到的是data位置，当消费者消费完数据后，该位置当中的数据已经被消费过了，再次被消费就没有意义了，为了让生产者后续可以在该位置生产新的数据，我们应该将该位置算作blank位置，而不是data位置。
  • 当消费者消费完数据后，意味着环形队列当中多了一个space位置，因此我们应该对space_sem进行V操作。

3. 必须遵守的两个规则

第一个规则：生产者和消费者不能对同一个位置进行访问

生产者和消费者在访问环形队列时：

  • 如果生产者和消费者访问的是环形队列当中的同一个位置，那么此时生产者和消费者就相当于同时对这一块临界资源进行了访问，这当然是不允许的。
  • 而如果生产者和消费者访问的是环形队列当中的不同位置，那么此时生产者和消费者是可以同时进行生产和消费的，此时不会出现数据不一致等问题。

如图：

第二个规则：无论是生产者还是消费者，都不应该超过对方一周以上

  • 生产者从消费者的位置开始一直按顺时针方向进行生产，如果生产者生产的速度比消费者消费的速度快，那么当生产者绕着消费者生产了一圈数据后再次遇到消费者，此时生产者就不应该再继续生产了，因为再生产就会覆盖还未被消费者消费的数据。
  • 同理，消费者从生产者的位置开始一直按顺时针方向进行消费，如果消费者消费的速度比生产者生产的速度快，那么当消费者绕着生产者消费了一圈数据后再次遇到生产者，此时消费者就不应该再继续消费了，因为再消费就会消费到缓冲区中保存的废弃数据。

如图：

4. 信号量保护环形队列的原理

在blank_sem和data_sem两个信号量的保护后，该环形队列中不可能会出现数据不一致的问题。

因为只有当生产者和消费者指向同一个位置并访问时，才会导致数据不一致的问题，而此时生产者和消费者在对环形队列进行写入或读取数据时，只有两种情况会指向同一个位置：

  • 环形队列为空时。
  • 环形队列为满时。

但是在这两种情况下，生产者和消费者不会同时对环形队列进行访问：

  • 当环形队列为空的时，消费者一定不能进行消费，因为此时数据资源为0，消费者申请信号量失败。
  • 当环形队列为满的时，生产者一定不能进行生产，因为此时空间资源为0，生产者申请信号量失败。

也就是说，当环形队列为空和满时，我们已经通过信号量保证了生产者和消费者的串行化过程。而除了这两种情况之外，生产者和消费者指向的都不是同一个位置，因此该环形队列当中不可能会出现数据不一致的问题。并且大部分情况下生产者和消费者指向并不是同一个位置，因此大部分情况下该环形队列可以让生产者和消费者并发的执行

5. 实现

其中的RingQueue就是生产者消费者模型当中的交易场所，我们可以用C++STL库当中的vector进行实现。

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <semaphore.h>  //信号量

template<class T>
class RingQueue
{
private:
    void P(sem_t& sem)      // & 修改参数
    {
        sem_wait(&sem);
    }

    void V(sem_t& sem)
    {
        sem_post(&sem);
    }

    // 加锁、解锁的是生产者们访问的下标和消费者们访问的下标
    void Lock(pthread_mutex_t& mutex)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
    }

    void Unlock(pthread_mutex_t& mutex)
    {
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

public:
    // 初始化列表初始化类的对象时(_ringqueue)，会调用改类(vector)的构造函数，将参数传递给构造函数
    RingQueue(int capacity = 4)
        :_cap(capacity), _ringqueue(capacity), _c_step(0), _p_step(0)
    {
        // 信号量初始化
        sem_init(&_c_data_sem, 0, 0);
        sem_init(&_p_space_sem, 0, capacity);

        // 两把锁初始化
        pthread_mutex_init(&_c_mutex, nullptr);
        pthread_mutex_init(&_p_mutex, nullptr);
    }

    // 生产 （最开始只能是生产者线程先执行，因为最初的时候只有生产者能申请信号量成功）
    void push(const T& in)  // const & 表示输入型参数
    {
/* 多生产者模型，需要先申请信号量，再申请锁。
1. 因为如果先申请锁，再申请信号量会导致线程串行申请，因为只有一个线程能获取锁资源，
申请成功后才能继续申请信号量，此时还可能申请信号量失败，这会降低多线程的并发度，
2. 信号量本身就是原子的，不需要被保护，并且对于加锁的内容要尽可能少*/

        // 1.要生产，先申请信号量资源
        // 空间资源--
        P(_p_space_sem);
 
        // 2.对下标_p_step进行加锁
        Lock(_p_mutex);

        _ringqueue[_p_step++] = in;
        _p_step %= _cap;                // 下标循环

        // 解锁
        Unlock(_p_mutex);

        // 3.数据资源++
        V(_c_data_sem);
    }

    // 消费
    void pop(T* out)        // * 表示输出型参数
    {
        // 要消费，先申请信号量资源 
        // 数据资源--
        P(_c_data_sem);
        Lock(_c_mutex);

        *out = _ringqueue[_c_step++];
        _c_step %= _cap;                // 下标循环

        // 解锁
        Unlock(_c_mutex);

        // 空间资源++
        V(_p_space_sem);
    }

/* 在队列为空或为满的时候，只可能有一个执行流申请信号量成功，并执行代码，这就表现出了互斥。
   在队列为空的时候，生产者先执行；队列为满时，消费者先执行。这就体现了一定的顺序型，即同步 
   如果队列不为空也不为满，由于指向的下标不同，所以CP两者并发运行 */

    ~RingQueue()
    {
        // 信号量销毁
        sem_destroy(&_c_data_sem);
        sem_destroy(&_p_space_sem);

        // 销毁两把锁
        pthread_mutex_destroy(&_c_mutex);
        pthread_mutex_destroy(&_p_mutex);
    }
private:
    std::vector<T> _ringqueue;  // 适配vector容器为循环队列
    size_t _cap;                // 容量

    int _c_step;                // 消费者下标
    int _p_step;                // 生产者下标
    // 生产者和消费者的下标都只有一个，所以这里是单CP模型，多CP需要互斥加锁

    sem_t _c_data_sem;          // 消费者关注的数据资源的信号量
    sem_t _p_space_sem;         // 生产者关注的空间资源的信号量

    pthread_mutex_t _c_mutex;   // 对消费者的下标进行加锁 
    pthread_mutex_t _p_mutex;   // 对生产者的下标进行加锁
};

相关说明：

  • 当不设置环形队列的大小时，我们使用缺省参数，默认将环形队列的容量上限设置为4。
  • 代码中的RingQueue是用vector实现的，生产者每次生产的数据放到vector下标为_p_step的位置，消费者每次消费的数据来源于vector下标为_c_step的位置。
  • 生产者每次生产数据后_p_step都会进行++，标记下一次生产数据的存放位置，++后的下标会与环形队列的容量进行取模运算，实现"环形"的效果。
  • 消费者每次消费数据后_c_step都会进行++，标记下一次消费数据的来源位置，++后的下标会与环形队列的容量进行取模运算，实现"环形"的效果。
  • 单生产单消费模型中，不需要对两个下标进行保护，因为生产者和消费者都只有一个
  • 多生产多消费模型中，由于多线程并发访问时_c_step、_p_step可能被多个线程同时访问，所以我们需要对这两个下标分别进行加锁保护（_c_mutex、_p_mutex），保证同一时刻只能有一个线程操作该下标

为了方便理解，我们这里实现单生产者、单消费者的生产者消费者模型。于是在主函数我们就只需要创建一个生产者线程和一个消费者线程，生产者线程不断生产数据放入环形队列，消费者线程不断从环形队列里取出数据进行消费。

cpp 复制代码 
#include "RingQueue.hpp"

void* Producer(void* args)
{
	RingQueue<int>* rq = static_cast<RingQueue<int>*>(args);

	while (true)
    {
		sleep(1);
		int data = rand() % 100 + 1;
		rq->Push(data);
		std::cout << "Producer: " << data << std::endl;
	}
}

void* Consumer(void* args)
{
	RingQueue<int>* rq = static_cast<RingQueue<int>*>(args);

	while (true)
    {
		sleep(1);
		int data = 0;
		rq->Pop(data);
		std::cout << "Consumer: " << data << std::endl;
	}
}
int main()
{
	srand(time(nullptr));
	pthread_t producer, consumer;
	RingQueue<int>* rq = new RingQueue<int>;
	pthread_create(&producer, nullptr, Producer, rq);
	pthread_create(&consumer, nullptr, Consumer, rq);
	
	pthread_join(producer, nullptr);
	pthread_join(consumer, nullptr);
	delete rq;
	return 0;
}

相关说明：

  • 环形队列要让生产者线程向队列中Push数据，让消费者线程从队列中Pop数据，因此这个环形队列必须要让这两个线程同时看到，所以我们在创建生产者线程和消费者线程时，需要将环形队列作为线程执行例程的参数进行传入。
  • 代码中生产者生产数据就是将获取到的随机数Push到环形队列，而消费者就是从环形队列Pop数据，为了便于观察，我们可以将生产者生产的数据和消费者消费的数据进行打印输出。

生产者消费者步调一致

由于代码中生产者是每隔一秒生产一个数据，而消费者是每隔一秒消费一个数据，因此运行代码后我们可以看到生产者和消费者的执行步调是一致的。

多生产者模型，需要先申请信号量，再申请锁

理由如下：

  1. 如果先申请锁，再申请信号量会导致线程串行申请，因为只有一个线程能获取锁资源，申请成功后才能继续申请信号量，此时还可能申请信号量失败，这会降低多线程的并发度。我们要的效果是多线程并发的申请信号量，然后串行的申请下标的锁资源，进行push或pop
  2. 信号量本身就是原子的，不需要被保护，并且对于加锁的内容要尽可能少
  3. 并且大概率不会有线程饥饿，因为一个线程释放锁之后，还要再申请信号量，此时其他阻塞等待锁资源的线程会立即竞争到锁资源

但是真正能同时进入队列执行代码的只有一个消费者和一个生产者

多生产多消费，数据为int类型

Makefile

bash 复制代码 
ringqueue:main.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
	rm -rf ringqueue

RingQueue.hpp

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <semaphore.h>  //信号量

template<class T>
class RingQueue
{
private:
    void P(sem_t& sem)      // & 修改参数
    {
        sem_wait(&sem);
    }

    void V(sem_t& sem)
    {
        sem_post(&sem);
    }

    // 加锁、解锁的是生产者们访问的下标和消费者们访问的下标
    void Lock(pthread_mutex_t& mutex)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
    }

    void Unlock(pthread_mutex_t& mutex)
    {
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

public:
    // 初始化列表初始化类的对象时(_ringqueue)，会调用改类(vector)的构造函数，将参数传递给构造函数
    RingQueue(int capacity = 4)
        :_cap(capacity), _ringqueue(capacity), _c_step(0), _p_step(0)
    {
        // 信号量初始化
        sem_init(&_c_data_sem, 0, 0);
        sem_init(&_p_space_sem, 0, capacity);

        // 两把锁初始化
        pthread_mutex_init(&_c_mutex, nullptr);
        pthread_mutex_init(&_p_mutex, nullptr);
    }

    // 生产 （最开始只能是生产者线程先执行，因为最初的时候只有生产者能申请信号量成功）
    void push(const T& in)  // const & 表示输入型参数
    {
/* 多生产者模型，需要先申请信号量，再申请锁。
1. 因为如果先申请锁，再申请信号量会导致线程串行申请，因为只有一个线程能获取锁资源，
申请成功后才能继续申请信号量，此时还可能申请信号量失败，这会降低多线程的并发度，
2. 信号量本身就是原子的，不需要被保护，并且对于加锁的内容要尽可能少*/

        // 1.要生产，先申请信号量资源
        // 空间资源--
        P(_p_space_sem);
 
        // 2.对下标_p_step进行加锁
        Lock(_p_mutex);

        _ringqueue[_p_step++] = in;
        _p_step %= _cap;                // 下标循环

        // 解锁
        Unlock(_p_mutex);

        // 3.数据资源++
        V(_c_data_sem);
    }

    // 消费
    void pop(T* out)        // * 表示输出型参数
    {
        // 要消费，先申请信号量资源 
        // 数据资源--
        P(_c_data_sem);
        Lock(_c_mutex);

        *out = _ringqueue[_c_step++];
        _c_step %= _cap;                // 下标循环

        // 解锁
        Unlock(_c_mutex);

        // 空间资源++
        V(_p_space_sem);
    }

/* 在队列为空或为满的时候，只可能有一个执行流申请信号量成功，并执行代码，这就表现出了互斥。
   在队列为空的时候，生产者先执行；队列为满时，消费者先执行。这就体现了一定的顺序型，即同步 
   如果队列不为空也不为满，由于指向的下标不同，所以CP两者并发运行 */

    ~RingQueue()
    {
        // 信号量销毁
        sem_destroy(&_c_data_sem);
        sem_destroy(&_p_space_sem);

        // 销毁两把锁
        pthread_mutex_destroy(&_c_mutex);
        pthread_mutex_destroy(&_p_mutex);
    }
private:
    std::vector<T> _ringqueue;  // 适配vector容器为循环队列
    size_t _cap;                // 容量

    int _c_step;                // 消费者下标
    int _p_step;                // 生产者下标
    // 生产者和消费者的下标都只有一个，所以这里是单CP模型，多CP需要互斥加锁

    sem_t _c_data_sem;          // 消费者关注的数据资源的信号量
    sem_t _p_space_sem;         // 生产者关注的空间资源的信号量

    pthread_mutex_t _c_mutex;
    pthread_mutex_t _p_mutex;
};

main.cc

生产者生产的快，消费者消费的慢

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "RingQueue.hpp"

using namespace std;

struct ThreadData
{
    RingQueue<int> *rq;
    std::string threadname;
};

// 消费者
void *Customer(void *args)
{
    sleep(2);
    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
    RingQueue<int> *rq = td->rq;
    std::string name = td->threadname;

    while (true)
    {
        // 1. 消费数据
        int data = 0;
        rq->pop(&data);

        // 2. 处理数据
        printf("%s get data: %d\n", name.c_str(), data);
        // sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

// 生产者
void *Producer(void *args)
{
    // sleep(3);
    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
    RingQueue<int> *rq = td->rq;
    std::string name = td->threadname;

    while (true)
    {
        // 1. 获取数据
        int data = rand() % 10 + 1;

        // 2. 生产数据
        rq->push(data);
        printf("%s send data: %d\n", name.c_str(), data);
        // sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

int main()
{
    srand(time(nullptr) ^ getpid());

    pthread_t c[5], p[3];
    RingQueue<int> *rq = new RingQueue<int>;

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        ThreadData* td = new ThreadData;
        td->rq = rq;
        td->threadname = "Customer-" + std::to_string(i);
        pthread_create(c + i, nullptr, Customer, td);
    }
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        ThreadData* td = new ThreadData;
        td->rq = rq;
        td->threadname = "Producer-" + std::to_string(i);
        pthread_create(p + i, nullptr, Producer, td);
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++)
        pthread_join(c[i], nullptr);
    for (int i = 0; i < 3; i++)
        pthread_join(p[i], nullptr);

    delete rq;
    return 0;
}

此时由于生产者生产的很快，运行代码后一瞬间生产者就将环形队列打满了，此时生产者想要再进行生产，但空间资源已经为0了，于是生产者只能在space_sem的等待队列下进行阻塞等待，直到由消费者消费完一个数据后对space_sem进行了V操作，生产者才会被唤醒进而继续进行生产。

但由于生产者的生产速度很快，生产者生产完一个数据后又会进行等待，因此后续生产者和消费者的步调又变成一致的了。

生产者生产的慢，消费者消费的快

cpp 复制代码 
// 消费者
void *Customer(void *args)
{
    // sleep(2);
    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
    RingQueue<int> *rq = td->rq;
    std::string name = td->threadname;

    while (true)
    {
        // 1. 消费数据
        int data = 0;
        rq->pop(&data);

        // 2. 处理数据
        printf("%s get data: %d\n", name.c_str(), data);
        // sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

// 生产者
void *Producer(void *args)
{

    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
    RingQueue<int> *rq = td->rq;
    std::string name = td->threadname;

    while (true)
    {
        // 1. 获取数据
        int data = rand() % 10 + 1;

        // 2. 生产数据
        rq->push(data);
        printf("%s send data: %d\n", name.c_str(), data);
        sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

虽然消费者消费的很快，但一开始环形队列当中的数据资源为0，因此消费者只能在data_sem的等待队列下进行阻塞等待，直到生产者生产完一个数据后对data_sem进行了V操作，消费者才会被唤醒进而进行消费。

但由于消费者的消费速度很快，消费者消费完一个数据后又会进行等待，因此后续生产者和消费者的步调又变成一致的了。

将 int 类型改为任务Task

Task.hpp

cpp 复制代码 
#include <string>

std::string opers = "+-*/%";

enum
{
    DivZero = 1,
    ModZero,
    Unknown
};

template <class T>
class Task
{
public:
    Task(int x, int y, char op)
        : _data1(x), _data2(y), _op(op), _result(0), _exitcode(0)
    {
    }

    // run起来
    void operator()()
    {
        switch (_op)
        {
        case '+':
            _result = _data1 + _data2;
            break;
        case '-':
            _result = _data1 - _data2;
            break;
        case '*':
            _result = _data1 * _data2;
            break;
        case '/':
            {
                if (_data2 == 0) _exitcode = DivZero;
                else _result = _data1 / _data2;
            } 
            break;
        case '%':
            {
                if (_data2 == 0)
                    _exitcode = ModZero;
                else
                    _result = _data1 % _data2;
            }
            break;
        default:
            _exitcode = Unknown;
            break;
        }
    }

    std::string GetResult()
    {
        std::string result = std::to_string(_data1) + _op + std::to_string(_data2) + '=' + std::to_string(_result);
        result += "[code: " + std::to_string(_exitcode) + ']';
        return result;
    }

    std::string GetTask()
    {
        std::string result = std::to_string(_data1) + _op + std::to_string(_data2) + "= ?";
        return result;
    }
    
private:
    T _data1;
    T _data2;
    char _op;

    T _result;
    int _exitcode;
};

Main.cc

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "RingQueue.hpp"
#include "Task.hpp"

using namespace std;

struct ThreadData
{
    RingQueue<Task<int>> *rq;
    std::string threadname;
};

// 消费者
void *Customer(void *args)
{
    sleep(2);
    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
    RingQueue<Task<int>> *rq = td->rq;
    std::string name = td->threadname;

    while (true)
    {
        // 1. 消费数据
        Task<int> t;
        rq->pop(&t);

        // 2. 处理数据
        t();
        printf("%s get Task: %s, result: %s\n", name.c_str(), t.GetTask().c_str(), t.GetResult().c_str());
        sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

// 生产者
void *Producer(void *args)
{
    // sleep(3);
    ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
    RingQueue<Task<int>> *rq = td->rq;
    std::string name = td->threadname;
    int len = opers.size();

    while (true)
    {
        // 1. 获取数据
        int data1 = rand() % 10 + 1;
        usleep(10);
        int data2 = rand() % 10;
        usleep(10);
        char op = opers[rand() % len];

        Task<int> t(data1, data2, op);
    
        // 2. 生产数据
        rq->push(t);
        printf("%s send Task: %s\n", name.c_str(), t.GetTask().c_str());
        sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

int main()
{
    srand(time(nullptr) ^ getpid());

    pthread_t c[5], p[3];
    RingQueue<Task<int>> *rq = new RingQueue<Task<int>>;

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        ThreadData* td = new ThreadData;
        td->rq = rq;
        td->threadname = "Customer-" + std::to_string(i);
        pthread_create(c + i, nullptr, Customer, td);
    }
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        ThreadData* td = new ThreadData;
        td->rq = rq;
        td->threadname = "Producer-" + std::to_string(i);
        pthread_create(p + i, nullptr, Producer, td);
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++)
        pthread_join(c[i], nullptr);
    for (int i = 0; i < 3; i++)
        pthread_join(p[i], nullptr);

    delete rq;
    return 0;
}
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