一、定义
信号量，从本质上来说，它是一种特殊的计数器。其核心作用在于对临界资源中资源数量进行精确的描述与把控。以电影院为例，观众们会竞相选择不同的座位，而这些座位作为共享资源，被拆分成了多个独立的部分。只要同时观影的线程（观众）数量未超出座位数量，便能确保多线程（多观众）对这一临界资源（电影院座位）的并发访问得以顺利实现。
在信号量的机制中，极为关键的一点是要保证 PV 操作的原子性。这里的计数器，其本质上就代表着临界资源的实际数量。通过一种巧妙的设计，将资源是否就绪的判断放置在临界区之外，这样一来，一旦线程能够进入相关区域，就意味着资源必然是就绪可用的。当线程申请信号量时，实际上已经间接地完成了对资源可用性的判断，这种设计极大地提高了资源利用的效率与安全性，避免了因资源竞争而可能引发的混乱与错误。
二、基于环形队列的生产消费模型
在基于环形队列的生产消费模型中，有着独特的运行规则与特性。当环形队列处于不空且不满的状态时，生产者与消费者所指向的并非同一块空间，这种设计为二者的并发操作提供了可能。只有在队列空或者满的特殊情况下，它们才会指向同一个位置。
我们可以将其类比为一场特殊的追逐游戏，在这个游戏中有三个必须满足的条件：
1、当生产者与消费者指向同一个位置，同一时刻只能有一方进行访问
当队列空时：生产者访问
当队列满时：消费者
2、消费者不能超过生产者
3、生产者不能把消费者套个圈，即不能在消费者尚未消费完之前，过度生产数据而导致数据覆盖或者逻辑混乱。
在这个模型中，生产者主要关注环形队列还有多少剩余空间，用 SpaceSem （N)表示；而消费者则侧重于关注队列中还有多少剩余数据，用 DataSem（0） 表示。通过这种方式，双方能够依据信号量的指示，有条不紊地进行生产与消费活动，实现整个系统的高效稳定运行。
三、代码如下：
cpp
main.cpp
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include "RingQueue.hpp"
#include "Task.hpp"
using namespace std;
struct ThreadData
{
RingQueue<Task> *rq;
std::string threadname;
};
void *Productor(void *args)
{
// sleep(3);
ThreadData *td = static_cast<ThreadData*>(args);
RingQueue<Task> *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;
char op = opers[rand() % len];
Task t(data1, data2, op);
// 2. 生产数据
rq->Push(t);
cout << "Productor task done, task is : " << t.GetTask() << " who: " << name << endl;
sleep(1);
}
return nullptr;
}
void *Consumer(void *args)
{
ThreadData *td = static_cast<ThreadData*>(args);
RingQueue<Task> *rq = td->rq;
std::string name = td->threadname;
while (true)
{
// 1. 消费数据
Task t;
rq->Pop(&t);
// 2. 处理数据
t();
cout << "Consumer get task, task is : " << t.GetTask() << " who: " << name << " result: " << t.GetResult() << endl;
// sleep(1);
}
return nullptr;
}
int main()
{
srand(time(nullptr) ^ getpid());
RingQueue<Task> *rq = new RingQueue<Task>(50);
pthread_t c[5], p[3];
for (int i = 0; i < 1; i++)
{
ThreadData *td = new ThreadData();
td->rq = rq;
td->threadname = "Productor-" + std::to_string(i);
pthread_create(p + i, nullptr, Productor, td);
}
for (int i = 0; i < 1; i++)
{
ThreadData *td = new ThreadData();
td->rq = rq;
td->threadname = "Consumer-" + std::to_string(i);
pthread_create(c + i, nullptr, Consumer, td);
}
for (int i = 0; i < 1; i++)
{
pthread_join(p[i], nullptr);
}
for (int i = 0; i < 1; i++)
{
pthread_join(c[i], nullptr);
}
return 0;
}
cpp
RingQueue.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
const static int defaultcap = 5;
template<class T>
class RingQueue{
private:
void P(sem_t &sem)
{
sem_wait(&sem);
}
void V(sem_t &sem)
{
sem_post(&sem);
}
void Lock(pthread_mutex_t &mutex)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
}
void Unlock(pthread_mutex_t &mutex)
{
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
public:
RingQueue(int cap = defaultcap)
:ringqueue_(cap), cap_(cap), c_step_(0), p_step_(0)
{
sem_init(&cdata_sem_, 0, 0);
sem_init(&pspace_sem_, 0, cap);
pthread_cond_init(&c_mutex_, nullptr);
pthread_cond_init(&p_mutex_, nullptr);
}
void Push(const T &in) // 生产
{
P(pspace_sem_);
Lock(p_mutex_); // ?
ringqueue_[p_step_] = in;
// 位置后移，维持环形特性
p_step_++;
p_step_ %= cap_;
Unlock(p_mutex_);
V(cdata_sem_);
}
void Pop(T *out) // 消费
{
P(cdata_sem_);
Lock(c_mutex_); // ?
*out = ringqueue_[c_step_];
// 位置后移，维持环形特性
c_step_++;
c_step_ %= cap_;
Unlock(c_mutex_);
V(pspace_sem_);
}
~RingQueue()
{
sem_destroy(&cdata_sem_);
sem_destroy(&pspace_sem_);
pthread_mutex_destroy(&c_mutex_);
pthread_mutex_destroy(&p_mutex_);
}
private:
std::vector<T> ringqueue_;
int cap_;
int c_step_; // 消费者下标
int p_step_; // 生产者下标
sem_t cdata_sem_; // 消费者关注的数据资源
sem_t pspace_sem_; // 生产者关注的空间资源
pthread_cond_t c_mutex_;
pthread_cond_t p_mutex_;
};
cpp
Task.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
std::string opers="+-*/%";
enum{
DivZero=1,
ModZero,
Unknown
};
class Task
{
public:
Task()
{}
Task(int x, int y, char op) : data1_(x), data2_(y), oper_(op), result_(0), exitcode_(0)
{
}
void run()
{
switch (oper_)
{
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;
}
}
void operator ()()
{
run();
}
std::string GetResult()
{
std::string r = std::to_string(data1_);
r += oper_;
r += std::to_string(data2_);
r += "=";
r += std::to_string(result_);
r += "[code: ";
r += std::to_string(exitcode_);
r += "]";
return r;
}
std::string GetTask()
{
std::string r = std::to_string(data1_);
r += oper_;
r += std::to_string(data2_);
r += "=?";
return r;
}
~Task()
{
}
private:
int data1_;
int data2_;
char oper_;
int result_;
int exitcode_;
};
cpp
makefile
RingQueueTest:Main.cpp
g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
rm -f RingQueueTest执行结果
