生产者与消费者问题算法 C++（一对多）
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文章目录
前言
一、实验内容
二、背景知识
三、思路
四、核心代码
1.生产者类
2.1 消费者子类1
2.2 消费者子类2
2.3 消费者子类3
3.主函数
五、源代码
六、运行结果
编辑
七.结论
提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档
前言
一、实验内容
1.问题描述
一组生产者向多组消费者提供消息，它们共享一个有界缓冲池，生产者向其中投放消息，消费者从中取得消息。假定这些生产者和消费者互相等效，只要缓冲池未满，生产者可将消息送入缓冲池,只要缓冲池未空，消费者可从缓冲池取走一个消息。
2.功能要求
根据进程同步机制，编写一个解决上述问题的程序，可显示缓冲池状态、放数据、取数据等过程。
二、背景知识
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。
三、思路
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，常用的方法有信号灯法[1]等。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。
四、核心代码
数据说明
int mutex = 1; //互斥信号量// mutex =1 代表进程空闲, mutex =0代表进程正在使用
int full; //缓冲区非空个数
const int n = 5; //缓冲区大小为 10
int empty = n; //空缓冲区个数
char buffer[n]; //定义缓冲区
int pfull = 0; //产品资源非空信号量//可用于多生产者时进行区分产品类不同对应的消费
int in = 0, out = 0; //定义存取指针的初始位置// in 指定生产产品当前的位置， out 指定消费产品当前的位置
int choose = 1; //选择,首次产生产品P 1.生产者类
//生产者类
class Producer
{private:int m_mutex;int m_full;int m_pfull;int m_in;public:Producer( int mu, int fu, int pfu, int pin ){m_mutex = mu;m_full = fu;m_pfull = pfu;m_in = in;}void showP(){if( mutex == 1 )//mutex = 1代表没有进程进行{if( full == n )//进程满了 {cout << "缓冲区空间已满！" << endl;exit( 0 );//退出 }mutex = 0;//mutex = 0代表有进程正在进行cout << "--------------------------------------------" << endl;cout << "生产者进程P：产生产品P" << endl;full++;//产品数量存储+1 pfull++;//生产者进程P生产数量while( buffer[in] == 'P' )//避免重复位置替换产品P {in = ( in + 1 ) % n;//循环队列计数 }buffer[ in ] = 'P';showbuffer( buffer );in = ( in + 1 ) % n;}else/// mutex = 0的情况 {cout << "进程P正在使用！" << endl;}choice();}
};2.消费者类
//消费者类
class Consumer{private:int m_mutex;int m_full;int m_pfull;int m_out;char m_c;public:Consumer( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c = '0' ){m_mutex = mu;m_full = fu;m_pfull = pfu;m_out = ou;m_c = c;}void showC( ){if( mutex == 1 )//mutex = 1代表没有进程进行{if( full == 0 ){cout << "没有进程可消费！" << endl;exit( 0 );}else{mutex = 0;if( pfull == 0 ){cout << " 消费者进程C没有可消费的！" << endl;exit( 0 );}else{cout << "--------------------------------------------" << endl;cout << "消费者进程C" << m_c << ":把产品P消费了->" << m_c << endl;full--;pfull--;buffer[ out ] = m_c;showbuffer( buffer );buffer[ out ] = '~';out = ( out + 1 ) % n;}}}else {cout << "进程C" << m_c << "正在使用！" << endl;}choice();
}
};2.1 消费者子类1
//消费者类 1
class C1:public Consumer
{public:C1( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '1' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 ){} void showC1(){Consumer::showC();}
};2.2 消费者子类2
//消费者类 2
class C2:public Consumer
{public:C2( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '2' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 ){} void showC2(){Consumer::showC();}
};2.3 消费者子类3
//消费者类 3
class C3:public Consumer
{public:C3( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '3' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 ){} void showC3(){Consumer::showC();}
};3.主函数
int main()
{Producer p( mutex, full, pfull, in );Consumer c( mutex, full, pfull, out );C1 c1( mutex, full, pfull, out );C2 c2( mutex, full, pfull, out );C3 c3( mutex, full, pfull, out );while( choose != 0 ){switch( choose ){case 1:p.showP();break;case 2:c1.showC1();break;case 3:c2.showC2();break;case 4:c3.showC3();break;}}
}五、源代码
#include <iostream>
using namespace std;int mutex = 1; //互斥信号量// mutex =1 代表进程空闲, mutex =0代表进程正在使用
int full; //缓冲区非空个数
const int n = 10; //缓冲区大小为 10
int empty = n; //空缓冲区个数
char buffer[n]; //定义缓冲区
int pfull = 0; //产品资源非空信号量//可用于多生产者时进行区分产品类不同对应的消费
int in = 0, out = 0; //定义存取指针的初始位置// in 指定生产产品当前的位置， out 指定消费产品当前的位置
int choose = 1; //选择,首次产生产品P //选择
void choice()
{cout << "按f或F继续,按q或Q退出程序：" << endl;cout << "--------------------------------------------" << endl;char ch;cin >> ch;if( ch == 'q' || ch == 'Q' ){mutex = 1;//把进程释放出来 exit( 0 );//退出}else if( ch == 'f' || ch == 'F' ){mutex = 1;//把进程释放出来cout << "输入选择继续：" << endl;cin >> choose;}else{cout << "输入非法！" << endl;choice(); //重新选择 }
}//显示缓冲区情况函数
void showbuffer( char a[10] )
{cout << "缓冲区存储情况为( ~ 为已消费资源):" ;for( int i = 0; i < 10; i ++ ){cout << a[i] << " ";//输出缓冲区情况 }cout << endl;
}///--------------------------------生产者--------------------------------------------------
//生产者类
class Producer
{private:int m_mutex;int m_full;int m_pfull;int m_in;public:Producer( int mu, int fu, int pfu, int pin ){m_mutex = mu;m_full = fu;m_pfull = pfu;m_in = in;}void showP(){if( mutex == 1 )//mutex = 1代表没有进程进行{if( full == n )//进程满了 {cout << "缓冲区空间已满！" << endl;exit( 0 );//退出 }mutex = 0;//mutex = 0代表有进程正在进行cout << "--------------------------------------------" << endl;cout << "生产者进程P：产生产品P" << endl;full++;//产品数量存储+1 pfull++;//生产者进程P生产数量while( buffer[in] == 'P' )//避免重复位置替换产品P {in = ( in + 1 ) % n;//循环队列计数 }buffer[ in ] = 'P';showbuffer( buffer );in = ( in + 1 ) % n;}else/// mutex = 0的情况 {cout << "进程P正在使用！" << endl;}choice();}
};///--------------------------------------消费者-------------------------------------------
//消费者类
class Consumer{private:int m_mutex;int m_full;int m_pfull;int m_out;char m_c;public:Consumer( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c = '0' ){m_mutex = mu;m_full = fu;m_pfull = pfu;m_out = ou;m_c = c;}void showC( ){if( mutex == 1 )//mutex = 1代表没有进程进行{if( full == 0 ){cout << "没有进程可消费！" << endl;exit( 0 );}else{mutex = 0;if( pfull == 0 ){cout << " 消费者进程C没有可消费的！" << endl;exit( 0 );}else{cout << "--------------------------------------------" << endl;cout << "消费者进程C" << m_c << ":把产品P消费了->" << m_c << endl;full--;pfull--;buffer[ out ] = m_c;showbuffer( buffer );buffer[ out ] = '~';out = ( out + 1 ) % n;}}}else {cout << "进程C" << m_c << "正在使用！" << endl;}choice();
}
};//消费者类 1
class C1:public Consumer
{public:C1( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '1' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 ){} void showC1(){Consumer::showC();}
};//消费者类 2
class C2:public Consumer
{public:C2( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '2' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 ){} void showC2(){Consumer::showC();}
};//消费者类 3
class C3:public Consumer
{public:C3( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '3' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 ){} void showC3(){Consumer::showC();}
};int main()
{Producer p( mutex, full, pfull, in );Consumer c( mutex, full, pfull, out );C1 c1( mutex, full, pfull, out );C2 c2( mutex, full, pfull, out );C3 c3( mutex, full, pfull, out );while( choose != 0 ){switch( choose ){case 1:p.showP();break;case 2:c1.showC1();break;case 3:c2.showC2();break;case 4:c3.showC3();break;}}
}六、运行结果
这里以缓冲区大小为 5 来测试
不同的消费者进程消费产品后转换成的结果不同
正常生产和消费，当生产者依次顺序占用缓冲区时，消费者也是依次顺序消费，当前队列到尽头时，采用循环继续，生产者在空缓冲区继续执行生产命令。
当缓冲区已满时，进程提示空间已满，程序正常状态退出！
当缓冲区没有产品时，消费者无法进行消费，此时进程提示没有进程可消费，程序正常状态退出！
更多测试结果请阅读者亲测~
七.结论
以上便是本次生产者与消费者问题的基本算法，生产者和消费者可以一对一、一对多或是多对多，只要分析清楚它们之间的同步互斥变量，共用的缓冲区资源的使用情况，解决好同步互斥问题，可以有效避免出现死锁的情况。通过生产者与消费者的问题算法，加深对信号量机制的理解和了解信号量的使用。
代码为原创，如有类似可联系了解情况，若有大神提出修改精进，欢迎评论区讨论！
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