C语言生产者与消费者问题

GeekLiHua

发布于 2025-01-21 16:40:17

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C语言生产者与消费者问题

简介：

本文讲解如何使用C语言来解决生产者与消费者问题。

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题目原型：

编写一个简单的生产者-消费者（producer-consumer）模型，其中包含一个生产者进程和一个消费者进程以及一个共享的缓冲区（使用队列或环形缓冲区）。生产者会更新缓存数据，而消费者则会使用该内存，程序按照如下规则运行：

生产者会不断往缓存中写入随机的8位数
消费者会从缓冲区中读取数字，每次第一位是偶数的数字被打印到屏幕上。
要求：保证在生产者没有向缓冲区提交任何内容时，消费者不会读取缓冲区中的任何数字。

思路讲解：

PV操作（信号量机制）是一种常见的用于线程同步和互斥的解决方案。这里简要介绍如何使用 PV 操作来实现给定问题的生产者/消费者模型。

首先创建两个信号灯 empty 和 full。empty 表示空缓存区数量，full 表示有数据可用的缓存区数量。其中 empty 的初始值应为缓存队列的大小，而 full 的初始值则应为 0。

对于生产者和消费者:

生产者需要生成随机数并将其添加到缓冲区内，并且在此之后将 full 计数器加一。
当 full 大于 0 时，消费者将从缓冲区中读取数据，并在满足特定条件时输出该数据。消费者检索当前可用的缓冲区，如果满足条件，则从计数器中减去 1。

在每次添加或读取信息成功时，在操作完成后，都需要调用 sem_wait() 在更改数据之前等待空闲空间或可用项。

具体题解代码如下：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>

#define QUEUE_SIZE 10       // 定义缓存区大小

int buffer[QUEUE_SIZE];     // 缓存区数组
int in = 0, out = 0;        // 输入和输出指针
sem_t full, empty;          // 初始化计数信号灯 
pthread_mutex_t lock;       // 声明互斥锁

// 生产者线程函数
void *producer(void *arg){
    while (1) {
        
        int new_item = some_producing_function(); // 生成新产品的函数
        
        sem_wait(&empty);   // 降低 empty 的值，等待可用缓存空间
        
        pthread_mutex_lock(&lock); // 加锁
        
        buffer[in] = new_item;  // 写入缓存区
        in = (in + 1) % QUEUE_SIZE; // 更新输入队列指针

        printf("Produced %d\n", new_item);

        pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁
        sem_post(&full);             // 提高 full 的值，增加可消费产品数量 

        sleep(2);   // 随机等待一段时间, 然后再生产下一个数据
    }
}

// 消费者线程函数
void *consumer(void *arg){
    while (1) {      
        sem_wait(&full);  //减小 full 的值，等待有可消费的产品       
        pthread_mutex_lock(&lock); //加锁

        int consumed_item = buffer[out]; // 从缓存区读取
        out = (out+1) % QUEUE_SIZE; // 更新输出队列指针
        printf("Consumed %d\n", consumed_item);

        pthread_mutex_unlock(&lock);  //解锁
        sem_post(&empty);  //提高 empty 的值，增加可用空间

        sleep(3); // 等待一段时间再进行下一次消费操作
    }
}

int main(int argc, char const **argv) 
{
    sem_init(&empty, 0, QUEUE_SIZE);  //初始化 empty信号灯，用于追踪缓存区为空的使用情况。其初始值为缓存队列的大小
    sem_init(&full, 0, 0);    // full信号灯 跟踪有多少产品已经被生产
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);  // 初始化互斥锁

    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    pthread_create(&producer_thread, NULL, &producer, NULL); //启动生产者线程
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, &consumer, NULL); //启动消费者线程

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    sem_destroy(&empty);  // 销毁两个信号灯
    sem_destroy(&full);
    pthread_mutex_destroy(&lock); //销毁 mutex 执行完成之后

    return 0;
}

在该程序中，使用 PV 机制和互斥量来控制对缓存区的并发访问，保证了两个线程能够安全地使用共享数据组成的缓冲区。具体实现包括：