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Linux基于環(huán)形隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)者模型詳解

 更新時(shí)間:2025年04月29日 10:04:10   作者:s_little_monster_  
這篇文章主要介紹了Linux基于環(huán)形隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)者模型方式,具有很好的參考價(jià)值,希望對(duì)大家有所幫助,如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

一、POSIX信號(hào)量

1、概述

在我們進(jìn)行環(huán)形隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)者模型的學(xué)習(xí)之前,我們要對(duì)前置條件POSIX信號(hào)量進(jìn)行學(xué)習(xí),這里的POSIX的信號(hào)量與systemV的信號(hào)量是幾乎一致的,都是用于同步操作,達(dá)到無(wú)沖突的訪問(wèn)共享資源的目的,只是POSIX信號(hào)量的使用要更簡(jiǎn)單一些,可以用于線程間同步

信號(hào)量的本質(zhì)就是一個(gè)計(jì)數(shù)器,它的本質(zhì)就是用來(lái)描述資源數(shù)目的,把資源是否就緒放到了臨界區(qū)之外,在申請(qǐng)信號(hào)量的時(shí)候其實(shí)已經(jīng)就是間接在做判斷了

2、調(diào)用接口

(一)初始化信號(hào)量

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
  • 返回值:成功返回0,失敗返回-1
  • sem:指向要初始化的信號(hào)量對(duì)象的指針
  • pshared:指定信號(hào)量的共享屬性,如果pshared為 0,表示信號(hào)量是進(jìn)程內(nèi)共享的,只能在創(chuàng)建它的進(jìn)程內(nèi)的多個(gè)線程之間使用,如果pshared非 0,表示信號(hào)量可以在多個(gè)進(jìn)程之間共享
  • value:指定信號(hào)量的初始值,表示可以同時(shí)訪問(wèn)共享資源的線程或進(jìn)程的數(shù)量

(二)銷毀信號(hào)量

#include <semaphore.h>
int sem_destroy(sem_t *sem);
  • 返回值:成功返回0,失敗返回-1
  • sem:指向要銷毀的信號(hào)量對(duì)象的指針

(三)等待信號(hào)量

#include <semaphore.h>
int sem_wait(sem_t *sem);
  • 返回值:成功返回0,失敗返回-1
  • sem:指向要操作的信號(hào)量對(duì)象的指針,這個(gè)指針一定要是被初始化過(guò)的

sem_wait 函數(shù)執(zhí)行的是信號(hào)量的 P 操作

  • 如果信號(hào)量 sem 的值大于 0,sem_wait 會(huì)將信號(hào)量的值減 1,然后立即返回,調(diào)用線程或進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼,意味著該線程或進(jìn)程成功獲取了對(duì)共享資源的訪問(wèn)權(quán)
  • 如果信號(hào)量 sem 的值等于 0,sem_wait 會(huì)使調(diào)用線程或進(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài),直到信號(hào)量的值大于 0 為止。一旦信號(hào)量的值變?yōu)榇笥?0,sem_wait 會(huì)將信號(hào)量的值減 1 并返回,線程或進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行

(四)發(fā)布信號(hào)量

#include <semaphore.h>
int sem_post(sem_t *sem);
  • 返回值:成功返回0,失敗返回-1
  • sem:指向要操作的信號(hào)量對(duì)象的指針,這個(gè)指針一定要是被初始化過(guò)的

sem_post 函數(shù)執(zhí)行的是信號(hào)量的 V 操作,會(huì)將信號(hào)量 sem 的值加 1

  • 如果在調(diào)用 sem_post 之前,有其他線程或進(jìn)程因?yàn)檎{(diào)用 sem_wait 而阻塞在該信號(hào)量上(即信號(hào)量的值為 0),那么在信號(hào)量的值加 1 之后,系統(tǒng)會(huì)喚醒其中一個(gè)阻塞的線程或進(jìn)程,被喚醒的線程或進(jìn)程會(huì)將信號(hào)量的值再減 1 并繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼

3、在環(huán)形隊(duì)列中的作用

我們?cè)谥皯?yīng)該都接觸過(guò)環(huán)形隊(duì)列,在環(huán)形隊(duì)列中,一般我們是需要一個(gè)計(jì)數(shù)器的,或者在環(huán)形隊(duì)列中留出最后一個(gè)位置,因?yàn)槿绻麤](méi)有這些措施,我們就不知道雙指針誰(shuí)在前誰(shuí)在后了,我們這里使用信號(hào)量替代了這個(gè)計(jì)數(shù)器

二、基于環(huán)形隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)者模型

1、理論探究

我們通過(guò)數(shù)組以及模運(yùn)算的方式來(lái)模擬環(huán)狀模型,前面的基于阻塞隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)者模型底層來(lái)說(shuō)是基于容器queue的,其空間可以動(dòng)態(tài)分配,現(xiàn)在是基于固定大小的,基于容器vector

其中生產(chǎn)者關(guān)注的是環(huán)形隊(duì)列的空間資源,消費(fèi)者關(guān)心的是環(huán)形隊(duì)列的數(shù)據(jù)資源,而環(huán)形隊(duì)列中的空間資源+數(shù)據(jù)資源=全部資源,只要有空間生產(chǎn)者就可以生產(chǎn)數(shù)據(jù)然后放入,只要有數(shù)據(jù)消費(fèi)者就可以取出數(shù)據(jù)然后加工

2、代碼實(shí)現(xiàn)

(一)RingQueue.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
//環(huán)形隊(duì)列默認(rèn)容量
const static int defaultcap = 8;
//環(huán)形隊(duì)列核心接口:PV操作以及加鎖解鎖
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:
	//初始化
    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);
		//生產(chǎn)者消費(fèi)者的鎖
        pthread_mutex_init(&c_mutex_, nullptr);
        pthread_mutex_init(&p_mutex_, nullptr);
    }
    void Push(const T &in) // 生產(chǎn)活動(dòng)
    {
    	//調(diào)用P函數(shù)檢查隊(duì)列中是否有可用空間,沒(méi)有可用空間線程會(huì)阻塞
        P(pspace_sem_);
		//這里為什么要先P后加鎖,下面詳談
        Lock(p_mutex_); 
        ringqueue_[p_step_] = in;
        // 位置后移,維持環(huán)形特性
        p_step_++;
        p_step_ %= cap_;
        Unlock(p_mutex_); 

        V(cdata_sem_);

    }
    void Pop(T *out)       // 消費(fèi)活動(dòng)
    {
        P(cdata_sem_);

        Lock(c_mutex_); 
        *out = ringqueue_[c_step_];
        // 位置后移,維持環(huán)形特性
        c_step_++;
        c_step_ %= cap_;
        Unlock(c_mutex_); 

        V(pspace_sem_);
    }
    //析構(gòu)銷毀
    ~RingQueue()
    {
        sem_destroy(&cdata_sem_);
        sem_destroy(&pspace_sem_);

        pthread_mutex_destroy(&c_mutex_);
        pthread_mutex_destroy(&p_mutex_);
    }
private:
    std::vector<T> ringqueue_;// 環(huán)形隊(duì)列的底層實(shí)現(xiàn)
    int cap_;		   		  // 隊(duì)列容量

    int c_step_;       		  // 消費(fèi)者下標(biāo)
    int p_step_;      		  // 生產(chǎn)者下標(biāo)

    sem_t cdata_sem_; 		  // 隊(duì)中可用數(shù)據(jù)資源
    sem_t pspace_sem_;		  // 隊(duì)中可用空間資源

    pthread_mutex_t c_mutex_; // 消費(fèi)者鎖
    pthread_mutex_t p_mutex_; // 生產(chǎn)者鎖
};

(二)Task.hpp

任務(wù)函數(shù)還是上一次的任務(wù)

#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_;
};

(三)main.cpp

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include "RingQueue.hpp"
#include "Task.hpp"

using namespace std;
//這個(gè)結(jié)構(gòu)體是方便我們打印的時(shí)候查看方便的
struct ThreadData
{
    RingQueue<Task> *rq;   //環(huán)形隊(duì)列
    std::string threadname;//線程名字
};

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)
    {
        // 模擬獲取數(shù)據(jù)
        int data1 = rand() % 10 + 1;
        usleep(10);
        int data2 = rand() % 10;
        char op = opers[rand() % len];
        Task t(data1, data2, op);

        // 生產(chǎn)數(shù)據(jù)
        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)
    {
        // 消費(fèi)數(shù)據(jù)
        Task t;
        rq->Pop(&t);
       
        // 處理數(shù)據(jù)
        t();
        cout << "Consumer get task, task is : " << t.GetTask() << " who: " << name << " result: " << t.GetResult() << endl;
    }
    return nullptr;
}

int main()
{
    srand(time(nullptr));
    RingQueue<Task> *rq = new RingQueue<Task>(10);

    pthread_t c[5], p[3];
    
	//這里我們?yōu)榱朔奖悴榭?,統(tǒng)一用單生產(chǎn)單消費(fèi)
    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;
}

3、PV操作包裹住加解鎖操作的原因

PopPush 函數(shù)中,以Push 函數(shù)為例,P(pspace_sem_)V(cdata_sem_) 包裹著 Lock(p_mutex_)Unlock(p_mutex_) 這種設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)更細(xì)粒度的同步控制,盡可能減少鎖的競(jìng)爭(zhēng),以確保線程安全和高效性,下面詳細(xì)解釋其原因:

P(pspace_sem_)Lock(p_mutex_) 之前:

  • 信號(hào)量的作用pspace_sem_ 信號(hào)量用于表示環(huán)形隊(duì)列中可用的空間資源,P(pspace_sem_) 操作會(huì)檢查信號(hào)量的值,如果值大于 0,則將其減 1 并繼續(xù)執(zhí)行,如果值為 0,則線程會(huì)阻塞,直到有可用空間(即其他線程調(diào)用 V(pspace_sem_) 釋放空間)
  • 避免不必要的加鎖:在嘗試獲取互斥鎖之前先檢查信號(hào)量,可以避免在沒(méi)有可用空間時(shí)加鎖,因?yàn)槿绻麤](méi)有可用空間,即使加了鎖也無(wú)法進(jìn)行生產(chǎn)操作,還會(huì)導(dǎo)致其他線程無(wú)法釋放空間,造成資源浪費(fèi)和性能下降,通過(guò)先檢查信號(hào)量,只有在有可用空間時(shí)才去獲取互斥鎖,減少了鎖的競(jìng)爭(zhēng),提高了程序的效率

V(cdata_sem_)Unlock(p_mutex_) 之后:

  • 信號(hào)量的通知機(jī)制cdata_sem_ 信號(hào)量用于表示環(huán)形隊(duì)列中可用的數(shù)據(jù)資源,V(cdata_sem_) 操作會(huì)將信號(hào)量的值加 1,如果有消費(fèi)者線程因?yàn)榈却龜?shù)據(jù)而阻塞,會(huì)喚醒其中一個(gè)線程
  • 避免死鎖和數(shù)據(jù)不一致:在釋放互斥鎖之后再增加 cdata_sem_ 信號(hào)量的值,可以確保在通知消費(fèi)者有新數(shù)據(jù)可用之前,生產(chǎn)者已經(jīng)完成了對(duì)共享資源的修改,并且釋放了鎖,如果在加鎖狀態(tài)下就增加信號(hào)量,可能會(huì)導(dǎo)致消費(fèi)者線程被喚醒后嘗試獲取鎖,但由于生產(chǎn)者還持有鎖而無(wú)法進(jìn)入臨界區(qū),從而造成死鎖或數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn),希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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