在linux下用c语言实现用多进程同步方法演示“生产者-消费者”问题

Question

1、设计目的：通过研究Linux的进程同步机制和信号量，实现生产者消费者问题的并发控制。
2、说明：有界缓冲区内设有26个存储单元，放入取出的产品设定为26个大写英文字母。
3、设计要求：
1) 生产者与消费者均有二个以上
2) 生产者和消费者进程的数目在程序界面上可调，在运行时可随时单个增加与减少生产者与消费者
3) 生产者的生产速度与消费者的消费速度均可在程序界面调节，在运行中，该值调整后立即生效
4) 生产者生产的产品由随机函数决定
5) 多个生产者或多个消费者之间必须有共享对缓冲区进行操作的函数代码
6) 每个生产者和消费者对有界缓冲区进行操作后，即时显示有界缓冲区的全部内容、当前生产者与消费者的指针位置，以及生产者和消费者线程标识符
7) 采用可视化界面，可在运行过程中随时暂停，查看当前生产者、消费者以及有界缓冲区的状态

Answer 1

这个问题需要的知识主要包括：

1 多进程间进行通信；

2 使用同步信号量（semaphore）和互斥信号量（mutex）进行数据保护。

参考代码如下，可以参照注释辅助理解：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#define N 2   // æ¶ˆè´¹è€…或者生产者的数目
#define M 10 // ç¼“冲数目
int in = 0;   // ç”Ÿäº§è€…放置产品的位置
int out = 0; // æ¶ˆè´¹è€…取产品的位置
int buff[M] = {0}; // ç¼“冲初始化为0， å¼€å§‹æ—¶æ²¡æœ‰äº§å“
sem_t empty_sem; // åŒæ­¥ä¿¡å·é‡ï¼Œ å½“满了时阻止生产者放产品
sem_t full_sem;   // åŒæ­¥ä¿¡å·é‡ï¼Œ å½“没产品时阻止消费者消费
pthread_mutex_t mutex; // äº’斥信号量， ä¸€æ¬¡åªæœ‰ä¸€ä¸ªçº¿ç¨‹è®¿é—®ç¼“冲
int product_id = 0;   //生产者id
int prochase_id = 0; //消费者id
/* æ‰“印缓冲情况 */
void print()
{
int i;
for(i = 0; i < M; i++)
   printf("%d ", buff[i]);
printf("\n");
}
/* ç”Ÿäº§è€…方法 */ 
void *product()
{
int id = ++product_id;

while(1)
{
   // ç”¨sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察
   sleep(1);
   //sleep(1);
  
   sem_wait(&empty_sem);
   pthread_mutex_lock(&mutex);
  
   in = in % M;
   printf("product%d in %d. like: \t", id, in);
  
   buff[in] = 1;  
   print();  
   ++in;
  
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   sem_post(&full_sem);  
}
}
/* æ¶ˆè´¹è€…方法 */
void *prochase()
{
int id = ++prochase_id;
while(1)
{
   // ç”¨sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察
   sleep(1);
//sleep(1);
  
   sem_wait(&full_sem);
   pthread_mutex_lock(&mutex);
  
   out = out % M;
   printf("prochase%d in %d. like: \t", id, out);
  
   buff[out] = 0;
   print();
   ++out;
  
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   sem_post(&empty_sem);
}
}
int main()
{
pthread_t id1[N];
pthread_t id2[N];
int i;
int ret[N];

// åˆå§‹åŒ–同步信号量
int ini1 = sem_init(&empty_sem, 0, M); 
int ini2 = sem_init(&full_sem, 0, 0);  
if(ini1 && ini2 != 0)
{
   printf("sem init failed \n");
   exit(1);
} 
//初始化互斥信号量 
int ini3 = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
if(ini3 != 0)
{
   printf("mutex init failed \n");
   exit(1);
} 
// åˆ›å»ºN个生产者线程
for(i = 0; i < N; i++)
{
   ret[i] = pthread_create(&id1[i], NULL, product, (void *)(&i));
   if(ret[i] != 0)
   {
    printf("product%d creation failed \n", i);
    exit(1);
   }
}
//创建N个消费者线程
for(i = 0; i < N; i++)
{
   ret[i] = pthread_create(&id2[i], NULL, prochase, NULL);
   if(ret[i] != 0)
   {
    printf("prochase%d creation failed \n", i);
    exit(1);
   }
}
//销毁线程
for(i = 0; i < N; i++)
{
   pthread_join(id1[i],NULL);
   pthread_join(id2[i],NULL);
}
exit(0); 
}

在Linux下编译的时候，要在编译命令中加入选项-lpthread以包含多线程支持。比如存储的C文件为demo.c,要生成的可执行文件为demo。可以使用命令：

gcc demo.c -o demo -lpthread

程序中为便于观察，使用了sleep(1);来暂停运行，所以查看输出的时候可以看到，输出是每秒打印一次的。

Answer 2

自己稍微改改

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
char data[5];//仓库，用于存放char
int size = 0;//库存数
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void print(){
  int i;
  for(i=0;i<size;i++){
    printf("%c ",data[i]);
  }
  printf("\n");
}
//生产者线程
void* product(void *p){
  char c;
  for(c='A';c<='Z';c++){
    pthread_mutex_lock(&mutex);//mutex内部才能使用cond
    while(size==5) //阻塞生产同时释放互斥 (旋锁)
      pthread_cond_wait(&full,&mutex);//阻塞生产线程
    printf("PUSH %c\n",c);
    data[size] = c;
    usleep(10000);
    size++;
    print();
    pthread_cond_broadcast(&empty);//释放消费cond
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    usleep(200000);
  }
}
//消费者线程
void* custom(void *p){
  int i;
  for(i=0;i<52;i++){
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(size==0)
      pthread_cond_wait(&empty,&mutex);
    printf("POP %c\n",data[size-1]);
    size--;
    print();
    pthread_cond_broadcast(&full);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    usleep(400000);
  }
}
int main(){
  pthread_t id1,id2,id3;
  pthread_create(&id1,0,product,0);
  pthread_create(&id3,0,product,0);
  pthread_create(&id2,0,custom,0);
  pthread_join(id1,0); pthread_join(id2,0);
  pthread_join(id3,0);
  pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

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