条件变量与POSIX信号量及生产者消费者模型

系统管理员 2022-01-31 04:47 311阅读 0赞

## 引入 ##

上篇我们详细的介绍了一下Linux下线程安全以及锁机制，利用互斥锁实现了线程间的互斥，那么**线程同步**（ 在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步。生产出来，才能使用,保证临界资源的合理访问）到底该如何实现呢？这就是我和大家接下来要讨论的条件变量。

## 条件变量 ##

**概念**：  
　　**条件变量本身不是锁**，但是它可以造成线程阻塞。没有资源则等待，生产资源后唤醒等待。条件变量通常搭配互斥锁使用，给多线程提供一个会和的场所。

**条件变量操作步骤**：

１. 定义条件变量 ![在这里插入图片描述][20190515151140104.png]  
2.初始化条件变量  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
３.阻塞等待一个条件变量  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
４.唤醒条件变量  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
５.销毁条件变量  
![在这里插入图片描述][20190515153146767.png]  
**条件变量为什么要搭配互斥锁使用**：  
　　因为条件变量本身只提供等待与唤醒的功能，具体什么时候等待要用户来进行判断，这个条件的判断通常涉及临界资源的操作，其它线程通常要通过修改条件来促使条件满足，而这个临界的资源的操作应该受到保护，因此要搭配互斥锁一起使用。

**条件变量的优点**：  
　 相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。

## POSIX信号量 ##

**概念**：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。

**实质** : **进化版的互斥锁（1 --> N）**  
　　由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。  
信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。

**信号量操作集函数**：

1.定义信号量变量  
![在这里插入图片描述][20190515164318305.png]  
2.初始化信号量  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
3.信号量加锁（**–操作**）  
![在这里插入图片描述][2019051516491515.png]  
4.信号量解锁（**++操作**）  
![在这里插入图片描述][20190515165255181.png]  
5.信号量销毁  
![在这里插入图片描述][20190515165508107.png]

## 生产者与消费者模型 ##

**引入**：生产者与消费者问题是一个著名的问题，它描述的就是一群生产者生产产品，然后让消费者去消费产品的问题。

例如：生产者与消费者的问题就相当于平常的吃面问题，食堂师傅就相当于生产者，而我们的同学就相当于消费者。只有食堂师傅做好面，将面放入碗中，我们才能去吃面，否则我们就只能等待。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**生产者消费者模型抽象**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

**如何保证生产者与消费者之间的线程安全**

1.  生产者与生产者之间应该具有互斥关系
2.  消费者与消费者之间应该具有互斥关系
3.  生产者与消费者之间应该具有同步与互斥关系

**产者与消费者模型实现**

**条件变量单链表实现**

在这里我利用单链表模拟实现生产者与消费者模型，用链表来表示交易场所，一个线程表示生产者，生产者生产数据放入链表中，另一个线程表示消费者，消费者购买产品然后从链表中移除数据。具体实现如下：

1 /*====================
      2  *  zhang
      3  *  生产者消费者模型
      4  *  链表存储
      5  *===================*/
      6 
      7 
      8 #include <stdio.h>
      9 #include <stdlib.h>
     10 #include <pthread.h>
     11 #include <unistd.h>
     12 
     13 //定义链表存储数据
     14 
     15 struct mp{
     16     int data;
     17     struct mp* next;
     18 };
     19 
     20 struct mp* head = NULL;
     21 struct mp* cur = NULL;
     22 
     23 
     24 pthread_mutex_t mutex;
     25 pthread_cond_t noodle;
     26 
     27 
     28 
     29 //生产者线程入口函数
     30 void* productor(void* arg){
     31     while(1){
     32         //生产者创建数据节点
     33         cur = malloc(sizeof(struct mp));
     34         cur->data = rand()%1000+1;
     35         printf("~~~~produce push a data:%d~~~~\n",cur->data);
     36         //放入链表中，加锁
     37         pthread_mutex_lock(&mutex);
     38         cur->next = head;
     39         head = cur;
     40         pthread_mutex_unlock(&mutex);
     41         //唤醒消费者
     42         pthread_cond_signal(&noodle);
     43         sleep(rand()%3);
     44     }
     45     return NULL;
     46 }
     47 
     48 //消费者线程入口函数
     49 void* consumer(void* arg){
     50     while(1){
     51         pthread_mutex_lock(&mutex);
     52         while(head == NULL){
     53         //  阻塞等待数据
     54             pthread_cond_wait(&noodle,&mutex);
     55         }
     56         //获取数据 （删除节点）
     57         cur = head;
     58         head = cur->next;
     59         pthread_mutex_unlock(&mutex);
     60         printf("~~~~~~consume a data:%d~~~~\n",cur->data);
     61         free(cur);
     62         cur = NULL;
     63         sleep(rand()%3);
     64     }
     65     return NULL;
     66 }
     67 
     68 
     69 int main(void){
     70 
     71     pthread_t ptid;  //生产者线程ID
     72     pthread_t ctid[4];  //消费者线程ID
     73     int ret,i;
     74     //创建生产者与消费者线程
     75     srand(time(NULL));
     76     ret = pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
     77     if(ret != 0){
     78         printf("mutex init error!\n");
     79         return -1;
     80     }
     81     pthread_cond_init(&noodle,NULL);
     82         if(ret != 0){
     83             printf("cond init error!\n");
     84             return -1;
     85         }
     86 
     87 
     88     ret = pthread_create(&ptid,NULL,productor,NULL);
     89     if(ret != 0){
     90         printf("productor create error!\n");
     91         return -1;
     92     }
     93     for(i = 0 ; i < 4; i++){
     94         ret = pthread_create(&ctid[i],NULL,consumer,NULL);
     95         if(ret != 0){
     96             printf("productor create error!\n");
     97             return -1;
     98         }
     99 
    100     }
    101     //回收生产者线程
    102     ret = pthread_join(ptid,NULL);
    103     if(ret != 0){
    104         printf("productor join error!\n");
    105         return -1;
    106     }
    107     //回收消费者线程
    108     for(i = 0 ; i < 4; i++){
    109         ret = pthread_join(ctid[i],NULL);
    110         if(ret != 0){
    111             printf("productor join error!\n");
    112             return -1;
    113         }
    114     }
    115 
    116     pthread_mutex_destroy(&mutex);
    117     pthread_cond_destroy(&noodle);
    118     return 0;
    119 }

**Posix信号量环形队列实现**

利用数组模拟环形队列实现生产者与消费者模型，一个信号量表示数据资源计数器，一个信号量表示空闲空间计数器，如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
具体实现如下：

1 /*==================
      2  *  zhangxu
      3  *  利用信号量实现简易版的
      4  *  生产者与消费者模型
      5  *  sem
      6  *=================*/
      7 
      8 #include <stdio.h>
      9 #include <stdlib.h>
     10 #include <unistd.h>
     11 #include <semaphore.h>
     12 #define NUM 5
     13 
     14 int queue[NUM];  //模拟环形队列
     15 sem_t sem_data;  //数据资源计数信号量
     16 sem_t sem_freespace; //空闲资源计数
     17 
     18 
     19 //生产者线程入口函数
     20 void* productor(void* arg){
     21     int i = 0 ;
     22     while(1){
     23         sem_wait(&sem_freespace);//消耗空间，空闲空间计数信号量-1
     24         queue[i] = rand()%1000 + 1;
     25         printf("~~~produce a data:%d\n",queue[i]);
     26         sem_post(&sem_data); //生产数据，数据资源计数信号量+1
     27 
     28         i = (i + 1) % NUM ;
     29         sleep(rand()%3);
     30     }
     31     return NULL;
     32 }
     33 //消费者线程入口函数
     34 void* consumer(void* arg){
     35     int i = 0;
     36     while(1){
     37         sem_wait(&sem_data); //消耗资源，数据资源计数信号量-1
     38         printf("~~~consume a data:%d\n",queue[i]);
     39         queue[i] = 0;
     40         sem_post(&sem_freespace);//消耗数据，空闲空间计数信号量+1
     41 
     42         i = (i + 1) % NUM;
     43         sleep(rand()%3);
     44     }
     45     return NULL;
     46 }
     47 
     48 
     49 
     50 int main(void){
     51 
     52     //定义生产者消费者线程
     53     pthread_t ptid,ctid;
     54     int ret;
     55     ret = sem_init(&sem_data,0,0);
     56     if(ret == -1){
     57         printf("sem_data init error!\n");
     58         return -1;
     59     }
     60     ret = sem_init(&sem_freespace,0,NUM);
     61     if(ret == -1){
     62         printf("sem_freespace init error!\n");
     63         return -1;
     64     }
     65 
     66     //创建线程
     67     ret = pthread_create(&ptid,NULL,productor,NULL);
     68     if(ret != 0){
     69         printf("porductor create error!\n");
     70         return -1;
     71     }
     72 
     73     ret = pthread_create(&ctid,NULL,consumer,NULL);
     74     if(ret != 0){
     75         printf("consumer create error!\n");
     76         return -1;
     77     }
     78 
     79     //回收线程
     80     ret = pthread_join(ptid,NULL);
     81     if(ret != 0){
     82         printf("porductor join error!\n");
     83         return -1;
     84     }
     85     ret = pthread_join(ctid,NULL);
     86     if(ret != 0){
     87         printf("consumer join error!\n");
     88         return -1;
     89     }
     90 
     91     //销毁信号量
     92     ret = sem_destroy(&sem_data);
     93     if(ret == -1){
     94         printf("sem_data destroy error!\n");
     95         return -1;
     96     }
     97     ret = sem_destroy(&sem_freespace);
     98     if(ret == -1){
     99         printf("sem_freespace destroy error!\n");
    100         return -1;
    101     }
    102 
    103     return 0;
    104 }

[20190515151140104.png]: /images/20220131/4f56c19d82df45d5bf62c11632ba3bca.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220131/346a44c5981a476e81f7a3aad23a91d1.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220131/60dcf1319a404a5aa06354306cc4ddfc.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220131/dc242d38397c4983b1d47a68fe911176.png
[20190515153146767.png]: /images/20220131/8427dd0656b94b8b9a4626d7fd166234.png
[20190515164318305.png]: /images/20220131/b52b70c524a745aeb96bcbf8facb9878.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220131/fef55ac73e6d4fecb457d977b4473b38.png
[2019051516491515.png]: /images/20220131/b9242709f0154d2096922c4d848af5f6.png
[20190515165255181.png]: /images/20220131/5fbcad3459db4d0681eb0011387c0cf6.png
[20190515165508107.png]: /images/20220131/87852a0534fc46ad87681361fe2dc98f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220131/0ea0b2adf3744c2da8d1ae62764d304b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20220131/e16544ab36da43b1a0f62ffd3e5a757e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNTAzMzE1_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20220131/58ec0d4d41344111bfefb5a075b66bab.png