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一、POSIX信号量：
在实现线程的同步，互斥不仅仅只有条件变量和锁，还有POSIX信号量，这里学习的POSIX信号量和之前学习的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
引入信号量：
对于共享资源，为了保证其并发性，将其分成了几份资源，就允许几个线程进入共享资源访问，此时就引入了信号量来对其进行保护
信号量的本质是一个计数器
这把计数器用来描述临界资源中资源数目的多少，实际上是对资源的预加载机制（这就像在电影院买票，买票的本质就是对电影院座位的预加载机制，当你买到票了，就一定会有位置给你，并且别人即使有票也是坐别人的座位，也不会抢了你的座位）
虽然信号量的本质是一个计数器，当一个线程申请资源成功 就将计数器--，当一个线程申请资源失败就将计数器++，但是不能用一个简简单单的普通变量代替信号量，因为变量的--和++操作不是原子的，所以，我们就要使用一个支持PV操作的原子的计数器------信号量
那么什么是PV操作呢？
P：代表申请资源，计数器--
V：代表释放资源，计数器++
当将共享资源分为N份，此时信号量也就是N，这个时候就能够申请资源，再将信号量--，当信号量为0的时候，线程就不能够申请资源了，只能阻塞等待
如上，这是一个多元信号量sem，我们之前学习的锁被叫做二元信号量
在使用多元信号量访问资源的时候，要先申请信号量，只有申请成功了，才能访问资源否则就需要进入阻塞队列等待
接口：
初始化信号量
参数1：需要初始化信号量的地址
参数2：表示的是线程共享还是进程共享，默认为零，线程共享，非零表示进程共享
参数3：设定的信号量的初始值
返回值：初始化成功返回0，失败返回-1，并设置错误码
其中sem_t实际上是一个联合体
销毁信号量
参数：就是需要销毁信号量的地址
返回值：初始化成功返回0，失败返回-1，并设置错误码
申请信号量：
其中下面用的是sem_wait，其功能就是成功将信号量-1，也就是P操作
参数：就是需要销毁信号量的地址
返回值：初始化成功返回0，失败返回-1，并设置错误码
sem_trywait：尝试申请，如果没有申请到资源，就会放弃申请
sem_timedwait：每隔一段时间进行申请
释放信号量（发布信号量）
参数：就是需要销毁信号量的地址
返回值：初始化成功返回0，失败返回-1，并设置错误码
其表示资源使用完毕，归还资源，成功将信号量+1，也就是V操作
二、基于环形队列的生产消费者模型
环形队列：
在实现生产消费者的模型中，不仅仅只有共享队列，还有环形队列，什么是环形队列呢？
虽然它叫环形队列，但是它不是队列，而是用数组实现的，
其中head作为头指针，当申请资源成功的时候就向后移动一位，
tail作为尾指针，当释放资源成功的时候向后移动一位，
首先，如何让数组成环呢？
在每次head++后都进行一次取模操作，这样保证head的大小不会超过这个环形队列的大小
特殊的是，当为空或者为满的时候，头指针和尾指针都指向同一个位置，那么如何证明此时是空还是满呢？
这里有两种方法：
方法一：添加一个计数器，当计数器的值为0的时候，表示当前为空，当计数器的值为容器大小的时候，表示该环形队列为满
判空条件：count == 0
判满条件：count == size
方法二：牺牲一个空间的大小，通过预留一个空位，避免head和tail重合时无法区分空和满。此时队列最大容量为size-1
判空条件：head== tail
判满条件：(head+ 1) % size == tail
在下面实现的时候采用计数器，毕竟信号量是一个天然的计数器
当数据不为空或者满的时候，此时head指针和tail指针必定不指向同一个位置，
此时就能够进行生产者和消费者的同时访问，
为空的时候，只能生产者访问，生产者只关注还剩多少空间
为满的时候，只能消费者访问，消费者只关注还剩多少数据
所以在使用信号量标识资源的情况下，生产者和消费者关注的资源不一样，所以就需要两个信号量来进行计数：
生产者的信号量：表示当前有多少可用空间
消费者的信号量：表示当前有多少可消费数据
所以以下在实现的时候，定义两个信号量，spacesem = N 和datasem = 0
对于生产者的PV操作：P(spacesem)将空间资源-1，V(datasem)将数据资源+1
对于消费者的PV操作：P(datasem)将数据资源-1，V(spacesem)将空间资源+1
单生产单消费实现代码：
RingQueue.hpp：
首先创建一个实现环形队列的文件：
cpp
#pragma once
#include <vector>
#include <iostream>
#include <semaphore.h>
template <class T>
class RingQueue
{
private:
std::vector<T> _ringqueue; // 用vector模拟环形队列
int _maxcap; // 环形队列的最大容量
int _p_step; // 生产者下标
int _c_step; // 消费者下标
sem_t _pspace_sem; // 生产者关注的空间资源
sem_t _cdata_sem; // 消费者关注的数据资源
};接着依次实现其中的接口：
构造与析构
cpp
RingQueue(int maxcap = 5)
: _maxcap(maxcap), _ringqueue(maxcap), _p_step(0), _c_step(0)
{
sem_init(&_pspace_sem,0,maxcap);
sem_init(&_cdata_sem,0,0);
pthread_mutex_init(&_p_mutex,nullptr);
pthread_mutex_init(&_c_mutex,nullptr);
}
~RingQueue()
{
sem_destroy(&_pspace_sem);
sem_destroy(&_cdata_sem);
pthread_mutex_destroy(&_p_mutex);
pthread_mutex_destroy(&_c_mutex);
}其中，构造函数的主要作用就是初始化各种变量，析构函数的主要作用就是释放这些变量
push与pop
push的作用是从交易场所中放入数据，pop的作用是从交易场所中拿到数据
cpp
void push(const T& in)
{
//生产数据先要申请信号量来预定资源
P(_pspace_sem);
_ringqueue[_p_step] = in;//将所对应的数据放入到环形队列中
_p_step++;//将生产者对应的下标向后移动一位
_p_step %= _maxcap;//保证生产者不会超过环形队列的大小
V(_cdata_sem);
}
void pop(T *out)
{
P(_cdata_sem);
pthread_mutex_lock(&_c_mutex);
*out = _ringqueue[_c_step];//将该位置的数据交给out作为输出型参数带出去
_c_step++;//将消费者对应的下标向后移动一位
_c_step %= _maxcap;//保证消费者下标不会超过环形队列的大小
pthread_mutex_unlock(&_c_mutex);
V(_pspace_sem);
}生产者push后，证明环形队列中一定有数据，所以就需要在V后传入消费者关心的信号量，也就是需要传递_cdata_sem
消费者pop后，证明环形队列中一定有空间，所以就需要在V后传入生产者关心的信号量，也就是需要传递_pspace_sem
PV操作：
cpp
void P(sem_t &sem)
{
sem_wait(&sem);
}
void V(sem_t &sem)
{
sem_post(&sem);
}P操作代表申请资源，也就是semwait这个函数
V操作就是释放了资源，比如生产者就是释放了一个数据
这里要保证数据在为空的时候只能生产者运行，在数据为满的时候只能消费者去运行，
所以wait是为了保持顺序同步，保证即使消费者先调用，但是没有数据，就将消费者申请资源所关注的数据信号量送去等待队列里去等待
在封装V操作中，post就是释放资源，对于生产者就是给了个数据给消费者
对于消费者post就是释放了空间，生产者就能接着生产了
那消费者一开始调用P操作，没有数据就会阻塞，而生产者这边V了数据，消费者这边P就不会阻塞了可以拿到数据了
所以生产和消费这两者的PV操作是反的
生产者V了，消费者的p就停止阻塞了因为生产者给了消费者资源了
反之同理
main.cc：
cpp
void *Productor(void *args)
{
RingQueue<int> *rq = static_cast<RingQueue<int> *>(args);
while (true)
{
int data = rand()%10+1;
rq->push(data);
std::cout<<"Productor : data = "<< data << std::endl;
sleep(1);
}
return nullptr;
}
void *Consumer(void *args)
{
RingQueue<int> *rq = static_cast<RingQueue<int> *>(args);
while (true)
{
int data = 0;
rq->pop(&data);
std::cout<<"Consumer : data = "<< data << std::endl;
sleep(1);
}
return nullptr;
}
int main()
{
srand(time(nullptr)^getpid());
RingQueue<Task> *rq = new RingQueue<Task>();
pthread_t c, p;
pthread_create(&p, nullptr, Productor, rq);
pthread_create(&c, nullptr, Consumer, rq);
pthread_join(p, nullptr);
pthread_join(c, nullptr);
delete rq;
return 0;
}
或者也可以让消费者疯狂消费数据，生产者疯狂生产
多生产多消费实现代码：
RingQueue.hpp：
在多生产多消费中，需要保证生产者和生产者之间、消费者和消费者之间 的互斥关系，生产者和消费者 之间的互斥关系已经由信号量承担了
所以在多生产多消费的代码中要加上锁
构造与析构中也要增加初始化锁与释放锁
cpp
template <class T>
class RingQueue
{
public:
RingQueue(int maxcap = 5)
: _maxcap(maxcap), _ringqueue(maxcap), _p_step(0), _c_step(0)
{
sem_init(&_pspace_sem,0,maxcap);
sem_init(&_cdata_sem,0,0);
pthread_mutex_init(&_p_mutex,nullptr);
pthread_mutex_init(&_c_mutex,nullptr);
}
~RingQueue()
{
sem_destroy(&_pspace_sem);
sem_destroy(&_cdata_sem);
pthread_mutex_destroy(&_p_mutex);
pthread_mutex_destroy(&_c_mutex);
}
private:
std::vector<T> _ringqueue; // 用vector模拟环形队列
int _maxcap; // 环形队列的最大容量
int _p_step; // 生产者下标
int _c_step; // 消费者下标
sem_t _pspace_sem; // 生产者关注的空间资源
sem_t _cdata_sem; // 消费者关注的数据资源
pthread_mutex_t _p_mutex;//保证生产者和生产者之间的互斥
pthread_mutex_t _c_mutex;//保证消费者和消费者之间的互斥
};push与pop
cpp
void push(const T& in)
{
//生产数据先要申请信号量来预定资源
P(_pspace_sem);//信号量的申请本来就是原子的，所以加锁的时候就需要在这之后
pthread_mutex_lock(&_p_mutex);
_ringqueue[_p_step] = in;//将所对应的数据放入到环形队列中
_p_step++;//将生产者对应的下标向后移动一位
_p_step %= _maxcap;//保证生产者下标不会超过环形队列的大小
pthread_mutex_unlock(&_p_mutex);
V(_cdata_sem);
}
void pop(T *out)
{
P(_cdata_sem);
pthread_mutex_lock(&_c_mutex);
*out = _ringqueue[_c_step];//将该位置的数据交给out作为输出型参数带出去
_c_step++;//将消费者对应的下标向后移动一位
_c_step %= _maxcap;//保证消费者下标不会超过环形队列的大小
pthread_mutex_unlock(&_c_mutex);
V(_pspace_sem);
}细节：
在加锁的时候要在申请信号量之后，这样能够提高并发度
如果是在申请信号量之前进行加锁，那么申请信号量的线程永远只有一个 不能够提高并发度
理解：
就像在电影院中，是先买票在进行排队的，这样能够加快进场的速度，如果排队后再买票，需要一人一人地进行操作，这相比上一种就会很慢的
申请信号量的操作是原子的，不需要加锁保护也能保证线程安全，所以并发申请信号量，串行访问临界资源能够提高并发度
main.cc：
在进行生产消费者模型中的数据问题，不仅仅是让二者看到同一份资源，更重要的是让消费者拿到资源并对资源进行处理，这里引入上一章的Task文件来进行数据处理
Task.hpp
cpp
#include <iostream>
#include <string>
std::string opers = "+-*/%";
enum
{
Divzero = 1,
Modzero,
Unknow
};
class Task
{
public:
Task()
{}
Task(int data1, int data2, char oper)
: _data1(data1), _data2(data2), _oper(oper),_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 = Unknow;
break;
}
}
void operator()()
{
run();
}
std::string Getresult()
{
std::string ret = std::to_string(_data1);
ret += _oper;
ret += std::to_string(_data2);
ret += "=";
ret += std::to_string(_result);
ret += "[exitcode=";
ret += std::to_string(_exitcode);
ret += "]";
return ret;
}
std::string GetTask()
{
std::string ret = std::to_string(_data1);
ret += _oper;
ret += std::to_string(_data2);
ret += "=?";
return ret;
}
~Task()
{}
private:
int _data1;
int _data2;
char _oper;
int _exitcode;
int _result;
};接着在生产消费者的线程所执行的对应的方法中，基本和上一章类似
cpp
void *Productor(void *args)
{
ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
RingQueue<Task> *rq = td->rq;
std::string name = td->threadname;
int len = opers.size();
while (true)
{
int data1 = rand() % 10 + 1;
usleep(10);
int data2 = rand() % 10;
char op = opers[rand()%len];
Task t(data1,data2,op);
rq->push(t);
std::cout<<"Productor : Task = "<< t.GetTask() << " who "<< name << std::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)
{
Task t;
rq->pop(&t);
//处理数据
t();
std::cout << "Consumer : Task = " << t.GetTask() << " who: " << name << " result: " << t.Getresult() << std::endl;
// sleep(1);
}
return nullptr;
}我们也可以创建一个结构体来存储线程名称与任务
cpp
struct ThreadData
{
RingQueue<Task> *rq;
std::string threadname;
};
cpp
int main()
{
srand(time(nullptr));
RingQueue<Task> *rq = new RingQueue<Task>();
pthread_t c[5], p[3];
for(int i = 0;i<3;i++)
{
ThreadData *td = new ThreadData();
td->rq = rq;
td->threadname = "Productor-" + std::to_string(i);
pthread_create(p+i, nullptr, Productor, td);
usleep(10);
}
sleep(1);
for(int i = 0;i<5;i++)
{
ThreadData *td = new ThreadData();
td->rq = rq;
td->threadname = "Consumer-" + std::to_string(i);
pthread_create(c+i, nullptr, Consumer, td);
usleep(10);
}
for(int i = 0;i<3;i++)
{
pthread_join(p[i], nullptr);
}
for(int i = 0;i<5;i++)
{
pthread_join(c[i], nullptr);
}
return 0;
}注意：在环形队列 中允许多个生产者线程一起进行生活数据，也允许多个消费者线程一起消费数据，多个线程一起操作并非同时操作**，任务开始时间有先后，但都是在进行处理的**