生产者消费者（转）

liyunfei

秒杀多线程第十篇 生产者消费者问题

生产者消费者问题是一个著名的线程同步问题，该问题描述如下：有一个生产者在生产产 品，这些产品将提供给若干个消费者去消费，为了使生产者和消费者能并发执行，在两者之间设置一个具有多个缓冲区的缓冲池，生产者将它生产的产品放入一个缓 冲区中，消费者可以从缓冲区中取走产品进行消费，显然生产者和消费者之间必须保持同步，即不允许消费者到一个空的缓冲区中取产品，也不允许生产者向一个已 经放入产品的缓冲区中再次投放产品。

这个生产者消费者题目不仅常用于操作系统的课程设计，也常常在程序员和软件设计师考试中出现。并且在计算机考研的专业课考试中也是一个非常热门的问题。因此现在就针对这个问题进行详细深入的解答。

 

首先来简化问题，先假设生产者和消费者都只有一个，且缓冲区也只有一个。这样情况就简便多了。

第一．从缓冲区取出产品和向缓冲区投放产品必须是互斥进行的。可以用关键段和互斥量来完成。

第二．生产者要等待缓冲区为空，这样才可以投放产品，消费者要等待缓冲区不为空，这样才可以取出产品进行消费。并且由于有二个等待过程，所以要用二个事件或信号量来控制。

考虑这二点后，代码很容易写出来。另外为了美观起见，将消费者的输出颜色设置为彩色，有关如何在控制台下设置彩色输出请参阅《VC 控制台颜色设置》。

[cpp] view plaincopy

  1. //1生产者 1消费者 1缓冲区
  2. //使用二个事件，一个表示缓冲区空，一个表示缓冲区满。
  3. //再使用一个关键段来控制缓冲区的访问
  4. #include <stdio.h>
  5. #include <process.h>
  6. #include <windows.h>
  7. //设置控制台输出颜色
  8. BOOL SetConsoleColor(WORD wAttributes)
  9. {
  10.     HANDLE hConsole = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
  11.     if (hConsole == INVALID_HANDLE_VALUE)
  12.         return FALSE;
  13.     return SetConsoleTextAttribute(hConsole, wAttributes);
  14. }
  15. const int END_PRODUCE_NUMBER = 10;   //生产产品个数
  16. int g_Buffer;                        //缓冲区
  17. //事件与关键段
  18. CRITICAL_SECTION g_cs;
  19. HANDLE g_hEventBufferEmpty, g_hEventBufferFull;
  20. //生产者线程函数
  21. unsigned int __stdcall ProducerThreadFun(PVOID pM)
  22. {
  23.     for (int i = 1; i <= END_PRODUCE_NUMBER; i++)
  24.     {
  25.         //等待缓冲区为空
  26.         WaitForSingleObject(g_hEventBufferEmpty, INFINITE);
  28.         //互斥的访问缓冲区
  29.         EnterCriticalSection(&g_cs);
  30.         g_Buffer = i;
  31.         printf(“生产者将数据%d放入缓冲区\n”, i);
  32.         LeaveCriticalSection(&g_cs);
  34.         //通知缓冲区有新数据了
  35.         SetEvent(g_hEventBufferFull);
  36.     }
  37.     return 0;
  38. }
  39. //消费者线程函数
  40. unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM)
  41. {
  42.     volatile bool flag = true;
  43.     while (flag)
  44.     {
  45.         //等待缓冲区中有数据
  46.         WaitForSingleObject(g_hEventBufferFull, INFINITE);
  48.         //互斥的访问缓冲区
  49.         EnterCriticalSection(&g_cs);
  50.         SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
  51.         printf(”  消费者从缓冲区中取数据%d\n”, g_Buffer);
  52.         SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
  53.         if (g_Buffer == END_PRODUCE_NUMBER)
  54.             flag = false;
  55.         LeaveCriticalSection(&g_cs);
  57.         //通知缓冲区已为空
  58.         SetEvent(g_hEventBufferEmpty);
  60.         Sleep(10); //some other work should to do
  61.     }
  62.     return 0;
  63. }
  64. int main()
  65. {
  66.     printf(”  生产者消费者问题   1生产者 1消费者 1缓冲区\n”);
  67.     printf(” – by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) –\n\n”);
  69.     InitializeCriticalSection(&g_cs);
  70.     //创建二个自动复位事件，一个表示缓冲区是否为空，另一个表示缓冲区是否已经处理
  71.     g_hEventBufferEmpty = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL);
  72.     g_hEventBufferFull = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);
  74.     const int THREADNUM = 2;
  75.     HANDLE hThread[THREADNUM];
  77.     hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL);
  78.     hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
  79.     WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE);
  80.     CloseHandle(hThread[0]);
  81.     CloseHandle(hThread[1]);
  83.     //销毁事件和关键段
  84.     CloseHandle(g_hEventBufferEmpty);
  85.     CloseHandle(g_hEventBufferFull);
  86.     DeleteCriticalSection(&g_cs);
  87.     return 0;
  88. }

运行结果如下所示：

可以看出生产者与消费者已经是有序的工作了。

 

然后再对这个简单生产者消费者问题加大难度。将消费者改成2个，缓冲池改成拥有4个缓冲区的大缓冲池。

如何来思考了这个问题了？首先根据上面分析的二点，可以知道生产者和消费者由一个变成多个的影响不大，唯一要注意的是缓冲池变大了，回顾一下《秒杀多线程第八篇 经典线程同步 信号量Semaphore》中的信号量，不难得出用二个信号量就可以解决这种缓冲池有多个缓冲区的情况——用一个信号量A来记录为空的缓冲区个数，另一个信号量B记录非空的缓冲区个数，然后生产者等待信号量A，消费者等待信号量B就可以了。因此可以仿照上面的代码来实现复杂生产者消费者问题，示例代码如下：

[cpp] view plaincopy

  1. //1生产者 2消费者 4缓冲区
  2. #include <stdio.h>
  3. #include <process.h>
  4. #include <windows.h>
  5. //设置控制台输出颜色
  6. BOOL SetConsoleColor(WORD wAttributes)
  7. {
  8.     HANDLE hConsole = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
  9.     if (hConsole == INVALID_HANDLE_VALUE)
  10.         return FALSE;
  12.     return SetConsoleTextAttribute(hConsole, wAttributes);
  13. }
  14. const int END_PRODUCE_NUMBER = 8;  //生产产品个数
  15. const int BUFFER_SIZE = 4;          //缓冲区个数
  16. int g_Buffer[BUFFER_SIZE];          //缓冲池
  17. int g_i, g_j;
  18. //信号量与关键段
  19. CRITICAL_SECTION g_cs;
  20. HANDLE g_hSemaphoreBufferEmpty, g_hSemaphoreBufferFull;
  21. //生产者线程函数
  22. unsigned int __stdcall ProducerThreadFun(PVOID pM)
  23. {
  24.     for (int i = 1; i <= END_PRODUCE_NUMBER; i++)
  25.     {
  26.         //等待有空的缓冲区出现
  27.         WaitForSingleObject(g_hSemaphoreBufferEmpty, INFINITE);
  29.         //互斥的访问缓冲区
  30.         EnterCriticalSection(&g_cs);
  31.         g_Buffer[g_i] = i;
  32.         printf(“生产者在缓冲池第%d个缓冲区中投放数据%d\n”, g_i, g_Buffer[g_i]);
  33.         g_i = (g_i + 1) % BUFFER_SIZE;
  34.         LeaveCriticalSection(&g_cs);
  36.         //通知消费者有新数据了
  37.         ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull, 1, NULL);
  38.     }
  39.     printf(“生产者完成任务，线程结束运行\n”);
  40.     return 0;
  41. }
  42. //消费者线程函数
  43. unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM)
  44. {
  45.     while (true)
  46.     {
  47.         //等待非空的缓冲区出现
  48.         WaitForSingleObject(g_hSemaphoreBufferFull, INFINITE);
  50.         //互斥的访问缓冲区
  51.         EnterCriticalSection(&g_cs);
  52.         SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
  53.         printf(”  编号为%d的消费者从缓冲池中第%d个缓冲区取出数据%d\n”, GetCurrentThreadId(), g_j, g_Buffer[g_j]);
  54.         SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
  55.         if (g_Buffer[g_j] == END_PRODUCE_NUMBER)//结束标志
  56.         {
  57.             LeaveCriticalSection(&g_cs);
  58.             //通知其它消费者有新数据了(结束标志)
  59.             ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull, 1, NULL);
  60.             break;
  61.         }
  62.         g_j = (g_j + 1) % BUFFER_SIZE;
  63.         LeaveCriticalSection(&g_cs);
  65.         Sleep(50); //some other work to do
  67.         ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferEmpty, 1, NULL);
  68.     }
  69.     SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
  70.     printf(”  编号为%d的消费者收到通知，线程结束运行\n”, GetCurrentThreadId());
  71.     SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
  72.     return 0;
  73. }
  74. int main()
  75. {
  76.     printf(”  生产者消费者问题   1生产者 2消费者 4缓冲区\n”);
  77.     printf(” – by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) –\n\n”);
  79.     InitializeCriticalSection(&g_cs);
  80.     //初始化信号量,一个记录有产品的缓冲区个数,另一个记录空缓冲区个数.
  81.     g_hSemaphoreBufferEmpty = CreateSemaphore(NULL, 4, 4, NULL);
  82.     g_hSemaphoreBufferFull  = CreateSemaphore(NULL, 0, 4, NULL);
  83.     g_i = 0;
  84.     g_j = 0;
  85.     memset(g_Buffer, 0, sizeof(g_Buffer));
  87.     const int THREADNUM = 3;
  88.     HANDLE hThread[THREADNUM];
  89.     //生产者线程
  90.     hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL);
  91.     //消费者线程
  92.     hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
  93.     hThread[2] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
  94.     WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE);
  95.     for (int i = 0; i < THREADNUM; i++)
  96.         CloseHandle(hThread[i]);
  98.     //销毁信号量和关键段
  99.     CloseHandle(g_hSemaphoreBufferEmpty);
  100.     CloseHandle(g_hSemaphoreBufferFull);
  101.     DeleteCriticalSection(&g_cs);
  102.     return 0;
  103. }

运行结果如下图所示：

输出结果证明各线程的同步和互斥已经完成了。

 

至此，生产者消费者问题已经圆满的解决了，下面作个总结：

1．首先要考虑生产者与消费者对缓冲区操作时的互斥。

2．不管生产者与消费者有多少个，缓冲池有多少个缓冲区。都只有二个同步过程——分别是生产者要等待有空缓冲区才能投放产品，消费者要等待有非空缓冲区才能去取产品。

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