操作系统之生产者与消费者

生产者消费者模型描述

生产者/消费者问题可以描述为：两个或者更多的进程（线程）共享同一个缓冲区，其中一个或多个进程（线程）作为“生产者”会不断地向缓冲区中添加数据，另一个或者多个进程（线程）作为“消费者”从缓冲区中取走数据。生产者/消费者模型关注的是以下几点：n 生产者和消费者必须互斥的使用缓冲区n 缓冲区空时，消费者不能读取数据n 缓冲区满时，生产者不能添加数据

生产者/消费者模型的优点在于：

1）解耦：因为多了一个缓冲区，所以生产者和消费者并不直接相互调用，这样生产者和消费者的代码发生变化，都不会对对方产生影响。这样其实就是把生产者和消费者之间的强耦合解开，变成了生产者和缓冲区，消费者和缓冲区之间的弱耦合。

2）支持并发：如果消费者直接从生产者拿数据，则消费者需要等待生产者生产数据，同样生产者需要等待消费者消费数据。而有了生产者/消费者模型，生产者和消费者可以是两个独立的并发主体。生产者把制造出来的数据添加到缓冲区，就可以再去生产下一个数据了。而消费者也是一样的，从缓冲区中读取数据，不需要等待生产者。这样，生产者和消费者就可以并发的执行。

3）=支持忙闲不均：如果消费者直接从生产者这里拿数据，而生产者生产数据很慢，消费者消费数据很快，或者生产者生产数据很多，消费者消费数据很慢。都会造成占用CPU的时间片白白浪费。生产者/消费者模型中，生产者只需要将生产的数据添加到缓冲区，缓冲区满了就不生产了。消费者从缓冲区中读取数据，缓冲区空了就不消费了，使得生产者/消费者的处理能力达到一个动态的平衡。

生产者流程

消费者流程

使用信号量同步的过程如下：

具体问题场景描述

假设有一个int型数组，有n=10 个元素。现在视该数组为缓冲区，创建三个线程作为生产者，随机几秒向缓冲区写入数据，再创建两个线程作为消费者，每隔几秒从缓冲区取数据并打印。这个过程一直循环。 (随机函数可使用m = rand(), 每操作一次缓存区，适当可以等待若干秒，如使用sleep()，以便以观察结果，不使用也可以。)请编写代码实现。


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>#define M 10 // 缓冲区数目即数组长度
nt in = 0;
int out = 0;
int buff[M] = {0};
//三个信号量
sem_t sem1; // 同步信号量
sem_t sem2;   // 同步信号
pthread_mutex_t mutex; // 互斥信号量int ProductId = 0;   //生产者id
int ProchaseId = 0; //消费者id/* 生产者方法 */
void *product()
{int id = ++ProductId;int number; while(1){sleep(1);sem_wait(&sem1);pthread_mutex_lock(&mutex);number=rand()%10;buff[in]=number; printf("生产者%d生产了%d\n",id,buff[in]);in = in % M;++in;pthread_mutex_unlock(&mutex);sem_post(&sem2);}
}/* 消费者方法 */
void *prochase()
{int id = ++ProchaseId;while(1){sleep(2);sem_wait(&sem2);pthread_mutex_lock(&mutex);    printf("消费者%d消费了%d\n",id,buff[out]);out = out % M;++out;    pthread_mutex_unlock(&mutex);sem_post(&sem1);}
}int main()
{pthread_t id1[3];pthread_t id2[2];int i;// 初始化信号量sem_init(&sem1, 0, M);sem_init(&sem2, 0, 0);pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 创建3个生产者线程for(i = 0; i < 3; i++){pthread_create(&id1[i], NULL, product, (void *)(&i));}//创建2个消费者线程for(i = 0; i < 2; i++){pthread_create(&id2[i], NULL, prochase, NULL);}//销毁线程for( i=0;i<3;i++){pthread_join(id1[i],NULL);}for( i=0;i<2;i++){pthread_join(id2[i],NULL);}exit(0);
}