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生产者消费者-(多线程同步和互斥)
条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制,主要包括两个动作:一个线程等待条件变量的条件成立而挂起(此时不再占用cpu);另一个线程使条件成立(给出条件成立信号)。为了防止竞争,条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。
/* 等待条件 *//* 注意:pthread_cond_wait为阻塞函数。解开锁,再等待。等条件满足时,需要抢到锁,才可以被唤醒*/ pthread_cond_wait(&cond_pro,&mutex); /* 激发条件 *//* 所有因为不满足条件的线程都会阻塞在条件变量cond_pro中的一个队列中 *//* 以广播方式,通知所有被阻塞的所有线程 */pthread_cond_broadcast(&cond_pro);/* 以signal方式,只通知排在最前面的线程 */pthread_cond_signal(&cond_pro);
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>#define CELL 10#define FLORE 0int i = 0; /* 所有线程共享的全局变量,此处假定至多递增至10,最小减到0 */pthread_mutex_t mutex; /* 定义互斥锁 */pthread_cond_t cond_pro, cond_con; /* 定义两个条件变量 *//* 生产者线程 */void* pro_handler(void *arg){ pthread_detach(pthread_self()); /* 由系统回收线程资源,而非主线程回收资源 ,此类情况主线程是个服务器,永久不会退出 */ while(1) { pthread_mutex_lock(&mutex); while(i >= CELL) { pthread_cond_wait(&cond_pro,&mutex); /* continue是轮询,此处是阻塞 */ /* 把锁放开再等 ,第一个参数是结构体指针,其中有成员存放被阻塞的函数 */ /*不占cpu*/ /* 不满足条件时才会等 ,需要别人告诉它,才能唤醒它*//* 当它返回时,锁也要回来了*/ } i++; if(i == 1) { /* 由空到不空,唤醒消费者 */ pthread_cond_signal(&cond_con); /*不会立马signal被阻塞的消费者线程,因为其还要等锁抢回来*/ } printf("add i: %d \n", i); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(rand() % 5 + 1); }}/* 消费者线程 */void* con_handler(void *arg){ pthread_detach(pthread_self()); while(1) { pthread_mutex_lock(&mutex); while(i <= FLORE) { pthread_cond_wait(&cond_cno,&mutex); } i--; if(i == 9) /* 由满到不满,要告诉生产者,以便将其唤醒 *//*此处,直接signal也可以,我们是为了更加精确*/ { pthread_cond_signal(&cond_pro); } printf("con i: %d \n", i); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(rand() % 5 + 1); }}int main(int argc, char *argv[]) // exe +num -num{ srand(getpid()); int con_cnt, pro_cnt; pro_cnt = atoi(argv[1]); con_cnt = atoi(argv[2]); pthread_mutex_init(&mutex,NULL); pthread_cond_init(&cond_pro,NULL); pthread_cond_init(&cond_con,NULL); pthread_t *arr = (pthread_t*)calloc(con_cnt + pro_cnt , sizeof(pthread_t)); int index = 0; while(pro_cnt > 0) { pthread_create(arr + index, NULL, pro_handler, NULL); index++; pro_cnt--; } while(con_cnt > 0) { pthread_create(arr + index, NULL, con_handler, NULL); index++; con_cnt--; } while(1); pthread_mutex_destroy(&mutex); pthread_cond_destroy(&cond_pro); pthread_cond_destroy(&cond_con); return 0;}
无论是在生产者线程,还是在消费者线程中。标记黄色部分的判断条件必须用while。以生产者线程举例,当i>=CELL时,也就是i满时,此时执行pthread_cond_wait(&cond_cno,&mutex); 该生产者线程被挂起。必须等到消费者线程pthread_cond_signal(&cond_pro); 将其唤醒。但是消费者将其signal还不够,被挂其的生产者线程必须重新拿到锁,才可以被激活。但是,由于在消费者signal的同时,生产者并不能立即抢到锁,所以此时可能i值又改变变为大于等于10了。因此必须用while。不然可能导致i>10。
将生产者消费者模型进一步修改、
生产者和消费者(互斥与同步)。资源用队列模拟(要上锁,一个时间只能有一个线程操作队列)。
m个生产者。拿到锁,且产品不满,才能生产。当产品满,则等待,等待消费者唤醒。当产品由空到不空,通知消费者。
n个消费者。拿到锁,且有产品,才能消费。当产品空,则等待,等待生产者唤醒。当产品由满到不满,通知生产者。
生产者条件:队列不满
消费者条件:队列不空
因此有两个条件变量。
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>#define CNT 20 /* 最多生产20个产品 *//* 用队列模拟车间 *//* front和tail初始化均为0,tail是下一个资源生成的下一个数组空间下标 */typedef struct tag{ int s_arr[CNT + 1] ; /* 生产20个产品,必须有21个空间,因为如果空间都装满产品,无法区别队列满和队列空 */ int s_front ; int s_tail ;}QUEUE,*pQUEUE ;QUEUE my_que ;/* 资源为空 */int que_empty(pQUEUE pq){ return pq ->s_front == pq -> s_tail ;}/* 资源为满 */int que_full(pQUEUE pq){ return (pq -> s_tail + 1)% (CNT+1) == pq -> s_front ;}int que_cnt(pQUEUE pq){ return (pq -> s_tail - pq ->s_front + CNT + 1)% (CNT + 1) ;}pthread_mutex_t mutex ;pthread_cond_t cond_pro, cond_con ;void* pro_handler(void* arg){ pthread_detach(pthread_self()); while(1) { pthread_mutex_lock(&mutex) ; while(que_full(&my_que)) { pthread_cond_wait(&cond_pro, &mutex); } my_que.s_arr[my_que.s_tail ] = rand() % 1000 ; my_que.s_tail = (my_que.s_tail + 1)% (CNT + 1) ; if(que_cnt(&my_que) == 1) { pthread_cond_broadcast(&cond_con); } printf("produce a product, total num : %d \n", que_cnt(&my_que)); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(rand()%3 + 1); }}void* con_handler(void* arg){ pthread_detach(pthread_self()); while(1) { pthread_mutex_lock(&mutex); while(que_empty(&my_que)) { pthread_cond_wait(&cond_con, &mutex); } my_que.s_front = (my_que.s_front + 1) % (CNT + 1) ; if(que_cnt(&my_que) == CNT - 1) { /*由于我们的主线程是等消费者线程创建完之后,再创建生产者线程, 因此一开始所有消费者线程都会挂起,在条件变量cond_pro的队列里排队 因此需要用broadcast通知所有消费者线程。 不然一次就通知一个生产者线程,就此消费者线程会抢锁。 当然,如果一开始主线程先创建生产者线程,再创建消费者线程, 由于生产者线程不会全部阻塞,因此可以使用signal来唤醒一个 */ pthread_cond_broadcast(&cond_pro); } printf("consume a product, total num: %d \n", que_cnt(&my_que)); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(rand()%3 + 1); }}int main(int argc, char* argv[])//exe pro_num con_num{ int con_cnt , pro_cnt ; my_que.s_front = 0 ; my_que.s_tail = 0 ; pro_cnt = atoi(argv[1]) ; con_cnt = atoi(argv[2]) ; srand(getpid()); pthread_mutex_init(&mutex, NULL); pthread_cond_init(&cond_pro, NULL); pthread_cond_init(&cond_con, NULL); pthread_t* arr = (pthread_t*)calloc(con_cnt + pro_cnt, sizeof(pthread_t)); int index = 0 ; while(con_cnt > 0) { pthread_create(arr + index , NULL, con_handler, NULL); index ++ ; con_cnt -- ; } sleep(5); while(pro_cnt > 0) { pthread_create(arr + index , NULL, pro_handler, NULL); index ++ ; pro_cnt -- ; } while(1) ; pthread_mutex_destroy(&mutex); pthread_cond_destroy(&cond_pro); pthread_cond_destroy(&cond_con); return 0 ;}
makefile
main:main.c gcc -o $@ $< -lpthread
生产者消费者-(多线程同步和互斥)
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