【操作系统】生产者消费者问题

生产者消费者模型

文章目录

• 生产者消费者模型
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• 一、 生产者消费者问题
• 二、 问题分析
• 三、 伪代码实现
• 四、代码实现（C++）
• 五、 互斥锁与条件变量的使用比较

一、 生产者消费者问题

生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了共享固定大小缓冲区的两个线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。
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要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。通常采用进程间通信的方法解决该问题。如果解决方法不够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能被推广到多个生产者和消费者的情形。

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二、 问题分析

该问题需要注意的几点：

• 在缓冲区为空时，消费者不能再进行消费
• 在缓冲区为满时，生产者不能再进行生产
• 在一个线程进行生产或消费时，其余线程不能再进行生产或消费等操作，即保持线程间的同步
• 注意条件变量与互斥锁的顺序

由于前两点原因，因此需要保持线程间的同步，即一个线程消费（或生产）完，其他线程才能进行竞争CPU，获得消费（或生产）的机会。对于这一点，可以使用条件变量进行线程间的同步：生产者线程在product之前，需要wait直至获取自己所需的信号量之后，才会进行product的操作；同样，对于消费者线程，在consume之前需要wait直到没有线程在访问共享区（缓冲区），再进行consume的操作，之后再解锁并唤醒其他可用阻塞线程。

在访问共享区资源时，为避免多个线程同时访问资源造成混乱，需要对共享资源加锁，从而保证某一时刻只有一个线程在访问共享资源。

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三、 伪代码实现

假设缓冲区大小为10，生产者、消费者线程若干。生产者和消费者相互等效,只要缓冲池未满,生产者便可将消息送入缓冲池;只要缓冲池未空,消费者便可从缓冲池中取走一个消息。

• items代表缓冲区已经使用的资源数，spaces代表缓冲区可用资源数
• mutex代表互斥锁
• buf[10] 代表缓冲区，其内容类型为item
• in、out代表第一个资源和最后一个资源

var items = 0, space = 10, mutex = 1;
var in = 0, out = 0;
item buf[10] = { NULL };

producer {
    while( true ) {
        wait( space );  // 等待缓冲区有空闲位置， 在使用PV操作时，条件变量需要在互斥锁之前
        wait( mutex );  // 保证在product时不会有其他线程访问缓冲区

        // product
        buf.push( item, in );  // 将新资源放到buf[in]位置 
        in = ( in + 1 ) % 10;
        
        signal( mutex );  // 唤醒的顺序可以不同
        signal( items );  // 通知consumer缓冲区有资源可以取走
    }
}

consumer {
    while( true ) {
        wait( items );  // 等待缓冲区有资源可以使用
        wait( mutex );  // 保证在consume时不会有其他线程访问缓冲区

        // consume
        buf.pop( out );  // 将buf[out]位置的的资源取走
        out = ( out + 1 ) % 10;

        signal( mutex );  // 唤醒的顺序可以不同
        signal( space );  // 通知缓冲区有空闲位置
    }
}

不能将线程里两个wait的顺序调换否则会出现死锁。例如(调换后)，将consumer的两个wait调换，在producer发出signal信号后，如果producer线程此时再次获得运行机会，执行完了wait(space)，此时，另一个consumer线程获得运行机会，执行了 wait(mutex) ，如果此时缓冲区为空，那么consumer将会阻塞在wait(items)，而producer也会因为无法获得锁的所有权所以阻塞在wait(mutex)，这样两个线程都在阻塞，也就造成了死锁。

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四、代码实现（C++）

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int current = 0;  // producer运行加1，consumer运行减1
int buf[10];
int in = 0, out = 0;
int items = 0, spaces = 10;
bool flag;  // 标记线程结束运行
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t notfull = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  // 缓冲区不满
pthread_cond_t notempty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  // 缓冲区不空

void *producer( void *arg ) {
    while( flag ) {
        pthread_mutex_lock( &mutex );  // 为保证条件变量不会因为多线程混乱，所以先加锁
        while( !spaces ) {  // 避免“惊群”效应，避免因其他线程实现得到事件而导致该线程“假醒”
            pthread_cond_wait( &notfull, &mutex );
        }
        buf[in] = current++;
        in = ( in + 1 ) % 10;
        items++;
        spaces--;

        printf( "producer %zu , current = %d\n", pthread_self(), current );
        for( int i = 0; i < 10; i++ ) {
            printf( "%-4d", buf[i] );
        }
        printf( "\n\n" );

        pthread_cond_signal( &notempty );
        pthread_mutex_unlock( &mutex );
    }
    pthread_exit( NULL );
}

void *consumer( void *arg ) {
    while( flag ) {
        pthread_mutex_lock( &mutex );
        while( !items ) {
            pthread_cond_wait( &notempty, &mutex );
        }
        buf[out] = -1;
        out = ( out + 1 ) % 10;
        current--;
        items--;
        spaces++;

        printf( "consumer %zu , current = %d\n", pthread_self(), current );
        for( int i = 0; i < 10; i++ ) {
            printf( "%-4d", buf[i] );
        }
        printf( "\n\n" );

        pthread_cond_signal( &notfull );
        pthread_mutex_unlock( &mutex );
    }
    pthread_exit( NULL );
}

int main() {
    memset( buf, -1, sizeof(buf) );
    flag = true;
    pthread_t pro[10], con[10];
    int i = 0;

    for( int i = 0; i < 10; i++ ) {
        pthread_create( &pro[i], NULL, producer, NULL );
        pthread_create( &con[i], NULL, consumer, NULL );
    }

    sleep(1);  // 让线程运行一秒
    flag = false;

    for( int i = 0; i < 10; i++ ) {
        pthread_join( pro[i], NULL );
        pthread_join( con[i], NULL );
    }

    return 0;
} 

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五、 互斥锁与条件变量的使用比较

我们会发现，在伪代码中强调了条件变量在前，互斥锁在后，而到了代码实现时又变成了先加互斥锁，再进行循环pthread_cond_wait()。这不是自相矛盾吗？

其实，在伪代码中的wait()、signal()就是操作系统中的PV操作，而PV操作定义就保证了该语句是原子操作，因此在wait条件变量改变的时候不会因为多进程同时访问共享资源造成混乱，所以为了保证线程间的同步，需要先加条件变量，等事件可使用后才进行线程相应的操作，此时互斥锁的作用是保证共享资源不会被其他线程访问。

而在代码实现中，signal（）对应的时pthread_cond_wait()函数，该函数在执行时会有三步：

• 解开当前的锁
• 等待条件变量达到所需要的状态
• 再把之前解开的锁加锁

为了实现将pthread_cond_wait()变成原子操作，就需要在该函数之前添加互斥锁。因为pthread_cond_wait()可以解锁，也就不会发生像伪代码所说的死锁问题。相反，如果像伪代码那样先使用条件变量，后加锁，则会造成多个线程同时访问共享资源的问题，造成数据的混乱。

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