Linux——多线程下解决生产消费者模型
我们学习了操作系统，想必对生产消费者问题都不陌生。作为同步互斥问题的一个经典案例，生产消费者模型其实是解决实际问题的基础模型，解决很多的实际问题都会依赖于它。而此模型要解决最大的问题便是同步与互斥。而通常呢，在多进程的环境下我们一般是是用信号量来解决（可以戳这里看看）；在多线程的情况，则会用到两个东西： 互斥量和条件变量。通常用它们两个来实现线程间通信，以此来解决多线程下的同步和互斥问题。不过在具体实现生产消费模型前，为了更好理解当中的处理原理，还是先来回顾一下一些线程间通信的相关知识。
互斥问题
大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量。但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。
// 操作共享变量会有问题的售票系统代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int ticket = 100;
void *route( void *arg)
{
char id = *(char*)arg;
while ( 1 ) {
if ( ticket > 0 ) {
usleep( 1000) ;
printf( " thread %c sells ticket:%d\n" , id, ticket) ;
ticket--;
} else {
break;
}
}
}
int main(void)
{
pthread_t t1, t2, t3, t4;
char a1=1,a2=2,a3=3,a4=4;
pthread_create( &t1, NULL, route, &a1);
pthread_create( &t2, NULL, route, &a2);
pthread_create( &t3, NULL, route, &a3);
pthread_create( &t4, NULL, route, &a4);
pthread_join( t1, NULL) ;
pthread_join( t2, NULL) ;
pthread_join( t3, NULL) ;
pthread_join( t4, NULL) ;
}
//一次执行结果： thread 4 sells ticket:100 ... thread 4 sells ticket:1 thread 2 sells ticket:0 thread 1 sells ticket:-1 thread 3 sells ticket:-2
为什么无法获得正确结果？
·if 语句判断条件为真以后，代码可以并发的切换到其他线程；usleep这个模拟漫长业务的过程，在这个漫长的业务过程中，可能有很多个线程会进入该代码段
·ticket--操作本身就不是一个原子操作
如果取出 “ticket--”部分的汇编代码
objdump -d a.out > test.objdump
152 40064b: 8b 05 e3 04 20 00 mov 0x2004e3(%rip),%eax # 600b34
<ticket>
153 400651: 83 e8 01 sub $0x1,%eax
154 400654: 89 05 da 04 20 00 mov %eax,0x2004da(%rip) # 600b34
ticket--操作并不是原⼦子操作，而是对应三条汇编指令：
load：将共享变量ticket从内存加载到寄存器中
update: 更新寄存器里面的值，执行-1操作
store：将新值，从寄存器写回共享变量ticket的内存地址
要解决以上问题，需要做到三点：
1.代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
2.如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。
3.如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。
Linux下用互斥量就做到了以上3点，它本质上其实就是一把锁。
互斥量
互斥量使用一般是以下几个步骤：
1.定义互斥量（mutex）: pthread_mutex_t mutex;
2.初始化：
①静态分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
②动态分配：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
参数：
mutex：要初始化的互斥量
attr：如果不设置线程属性的话填NULL
3.上锁：pthread_mutex_lock（&mutex） 如果是1，值0，返回； 如果是0，便阻塞
调⽤用pthread_ lock 时，可能会遇到以下情况:
互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，
但没有竞争到互斥量，那么pthread_ lock调⽤用会陷入阻塞，等待互斥量解锁。
4.解锁： pthread_mutex_unlock(&mutex) 置为1，返回
5.销毁：pthread_mutex_destroy(&mutex)
销毁互斥量需要注意：使⽤用PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER初始化的互斥量不需要销毁
不要销毁⼀一个已经加锁的互斥量已经销毁的互斥量，要确保后⾯面不会有线程再尝试加锁
自旋锁
互斥锁是当阻塞在pthread_mutex_lock时，放弃CPU,好让别人使用CPU。自旋锁阻塞在spin_lock时不会阻塞CPU,不断对CPU询问。（实时系统中应用比较多，要求对锁进行较快响应）它使用形式与互斥量类似，不再赘述。
1.定义自旋锁： pthread_spinlock_t spin
2.初始化自旋锁：pthread_spin_intt(pthread_spinlock_t *s, int s)
3.上锁：int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock)
4.解锁：int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock)
5.销毁：int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock)
读写锁
在编写多线程的时候，有⼀一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写，它们读的机会反而高的多。通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极⼤大地降低我们程序的效率。那么有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢？ 有，那就是读写锁。读写锁本质上是一种自旋锁［长时间等人和短时间等人的例子］
·注意：读共享，写排他，写优先级高
它处理方式和前面互斥量类似，就不在赘述。
1.定义：pthread_rwlock_t lock
2.初始化 pthread_rwlock_init(&lock, NULL)
3.上锁：pthread_rwlock_rdlock(&lock) pthread_rwlock_wrlock(&lock)
4.解锁：pthread_rwlock_unlock(&lock)
5.销毁：pthread_rwlock_destroy(&lock)
条件变量
生产者消费问题要解决另一个问题就同步的问题。当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，直到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况下就需要用到条件变量了。
使用步骤如下：
1.定义条件变量：
pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex
2.初始化条件变量：
pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *restrict attr) 参数： cond：要初始化的条件变量 attr：填NULL(用于设置线程属性）
3.等待条件：
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
参数：
cond：要在这个条件变量上等待
mutex：互斥量，后⾯面详细解释
注意这里wait函数需要互斥量（后面解释）。如果在锁环境下，此处互斥量形同虚设。在锁环境下，会将mutex解锁； wait返回时，将mutex锁制成原来状态
4.使条件满足 ：
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
5.销毁条件变量：
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)
为什么pthread_ cond_ wait 需要互斥量?
①条件等待是线程间同步的一种手段，如果只有一个线程，条件不满足，一直等下去都不会满足，所以必须要有一个线程通过某些操作，改变共享变量，使原先不满足的条件变得满足，并且友好的通知等待在条件变量上的线程。
②条件不会无缘无故的突然变得满足了，必然会牵扯到共享数据的变化。所以一定要用互斥锁来保护。没有互斥锁就无法安全的获取和修改共享数据。
按照上面的说法，我们设计出如下的代码：先上锁，发现条件不满足，解锁，然后等待在条件变量上不就行了？但是这样也会有问题
// 错误的设计
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition_is_false) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
//解锁之后，等待之前，条件可能已经满足，信号已经发出，但是该信号可能被错过
pthread_cond_wait(&cond);
pthread_mutex_lock(&mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
·由于解锁和等待不是原子操作。调用解锁之后，pthread_cond_wait之前，如果已经有其他线程获取到互斥量，摒弃条件满足，发送了信号，那么pthread_ cond_wait将错过这个信号，可能会导致线程永远阻塞在这个pthread_cond_wait。所以解锁和等待必须是一个原子操作。
·int
pthread_cond_wait;
进入该函数后，会去看条件量是否为0？等于0，就把互斥量变成1，直到cond_wait返回时，把条件量改成1，同时将互斥量恢复成原样。
所以正确是条件变量的使用规范是这样的：（这里以生产消费问题为例 简单的实现一下同步，使得消费者需要在有产品的情况下才可进行消费。）
条件变量使用范例即：
·等待条件：
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (条件为假）
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
//pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mutex，
//然后阻塞在等待队列里休眠，直到再次被唤醒
//（大多数情况下是等待的条件成立而被唤醒，唤醒后，
//该进程会进行pthread_mutex_lock(&mutex)先锁定，然后再读取资源
修改条件
pthread_mutex_unlock(&mutex);
·给条件发送信号代码
pthread_mutex_lock(&mutex);
//设置条件为真
pthread_cond_signal(cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
多线程下的生产消费者问题
好，这下终于把准备工作做好了，结合线程的基本操作，多线程下的生产消费者我们也就不难实现出来了。如下：
/*************************************************************************
> File Name: pc.c
> Author: tp
> Mail:
> Created Time: Sun 27 May 2018 06:28:33 PM CST
************************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#define PRO_NUM 3 //生产线程数量
#define CON_NUM 0 //消费线程数量
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_t n_empty;
pthread_mutex_t mutex;
int g_num = 0; //产品数量
int empty_num = 3; //生产的空位数量
//productor
void* pro_route(void* arg)
{
int id =*(int*)arg;
free(arg);
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
while(empty_num <= 0)
{
printf("生产线程%d等待。\n", id);
pthread_cond_wait(&n_empty, &mutex);
printf("有空位,数量为%d\n", empty_num);
}
printf("生产线程%d生产\n", id);
++g_num;
--empty_num;
printf("生产品%d完成\n", g_num);
sleep(rand()%3);
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(rand()%3);
}
}
//consumer
void *con_route(void* arg)
{
int id =*(int*)arg;
free( arg);
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
while(g_num <= 0)
{
printf("消费线程%d等待。。\n", id);
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
printf("第%d产品到了！！\n", g_num);
}
printf("消费线程%d消费 产品%d\n", id , g_num);
--g_num;
++empty_num;
sleep(rand()%2);
printf("消费线程%d消费完成\n", id);
pthread_cond_signal(&n_empty);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(rand()%3);
}
}
int main( )
{
srand(getpid());
pthread_t tids[PRO_NUM + CON_NUM];
//互斥量，条件变量初始化
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL); //条件变量1
pthread_cond_init(&n_empty, NULL);//条件变量2
//创建生产者线程
for(int i =0; i< PRO_NUM; ++i)
{
int* p = (int*)malloc(sizeof(int)); //传入参数相当作线程编号
*p = i;
pthread_create(&tids[i], NULL, pro_route, p);
}
//创建消费者线程
for(int i =0; i< CON_NUM; ++i)
{
int* p = (int*)malloc(sizeof(int)); //消费线程编号
*p = i;
pthread_create(&tids[i], NULL, con_route, p);
}
for(int i =0; i< PRO_NUM + CON_NUM; ++i) //回收线程
{
pthread_join(tids[i], NULL);
}
//互斥量，条件变量销毁
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);
pthread_cond_destroy(&n_empty);
return 0;
}
结果：
当我们只有生产者生产时，此时生产的空位生产满了之后便会阻塞，如下：
当去添加两个消费线程时（将CON_NUM改为2），这样生产、消费得以进行。如下：
本文来自博客园，作者：tp_16b，转载请注明原文链接：https://www.cnblogs.com/tp-16b/p/9077438.html
