生产者与消费者模型

一个场所，两种模型，三种关系

    场所：线程安全的队列

    模型：生产者、消费者

    关系：生产者与生产者之间（互斥）、生产者与消费者（同步与互斥）、消费者与消费者（互斥）的关系

    功能：解耦合、支持忙闲不均、支持并发

                耦合度：相互之间的依赖关系越紧密，耦合度越高

使用条件变量实现生产者消费者模型

// 使用条件变量生产者与消费者模型
#include <iostream>
#include <queue>
#include <pthread.h>
#define MAX_QUEUE 10
#define MAX_SIZE 4

class BlockQueue {
public:
    BlockQueue(int cap = MAX_QUEUE)
        : _capacity(cap)
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex, NULL);
        pthread_cond_init(&_cond_producter, NULL);
        pthread_cond_init(&_cond_consumer, NULL);
    }
    ~BlockQueue()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        pthread_cond_destroy(&_cond_producter);
        pthread_cond_destroy(&_cond_consumer);
    }
private:
    std::queue<int> _queue;
    int _capacity;          // 队列节点最大数量
    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_cond_t _cond_producter;
    pthread_cond_t _cond_consumer;
public:
    void QueuePush(int data)        // 线程安全的入队操作
    {
        QueueLock();
        while (QueueIsFull()) {
            ProducterWait();
        }
        _queue.push(data);
        ConsumerWakeUp();
        QueueUnlock();
    }
    void QueuePop(int* data)        // 线程安全的出队操作adddic:
    {
        QueueLock();
        while (QueueIsEmpty()) {
            ConsumerWait();
        }
        *data = _queue.front();
        _queue.pop();
        ProducterWakeUp();
        QueueUnlock();
    }
private:
    // 辅助函数
    void QueueLock() {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);
    }
    void QueueUnlock() {
        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
    }
    void ConsumerWakeUp() {
        pthread_cond_signal(&_cond_consumer);
    }
    void ConsumerWait() {
        pthread_cond_wait(&_cond_consumer, &_mutex);
    }
    void ProducterWakeUp() {
        pthread_cond_signal(&_cond_producter);
    }
    void ProducterWait() {
        pthread_cond_wait(&_cond_producter, &_mutex);
    }
    bool QueueIsFull() {
        return (_capacity == _queue.size());
    }
    bool QueueIsEmpty() {
        return _queue.empty();
    }
};

int i = 0;
pthread_mutex_t mutex;            // 保护生产产品量

void* producter_route(void* arg) {
    BlockQueue *q = (BlockQueue*)arg;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        q->QueuePush(i++);
        std::cout << "producter put data: " << i << std::endl;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

void* consumer_route(void* arg) {
    BlockQueue *q = (BlockQueue*)arg;
    while (1) {
        int data;
        q->QueuePop(&data);
        std::cout << "consumer get data:" << data << std::endl;
    }
    return NULL;
}

int main() {
    BlockQueue q;
    pthread_t consumer_tid[MAX_SIZE], producted_tid[MAX_SIZE];
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; ++i) {
        int ret = pthread_create(&producted_tid[i], NULL, producter_route,  (void*)&q);
        if (ret != 0) {
            std::cout << "pthread create error\n";
        }
              ret = pthread_create(&consumer_tid[i], NULL, consumer_route,  (void*)& q);
              if (ret != 0) {
                     std::cout << "pthread create error\n";
              }
    }
    
    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; ++i) {
        pthread_join(producted_tid[i], NULL);
        pthread_join(consumer_tid[i], NULL);
    }
    return 0;
}

信号量：计数器 + 等待队列 + 等待与唤醒功能

    通过自身计数器，实现条件判断：

        当条件满足时则可以获取数据直接返回，计数减一；

        条件不满足时，阻塞

    当产生资源后，通过信号的唤醒功能唤醒等待并且计数加一

sem_t                            // 定义

sem_init                         // 初始化

sem_wait                         // 条件判断是否阻塞，计数-1

sem_post                         // 计数加1，唤醒阻塞

sem_destroy                      // 销毁

信号量初始化
int sem_init(sem_t* sem, int pshared, unsigned int value);
    sem “信号量”
    pshared “0 用于线程间同步与互斥   ！0 用于进程间同步与互斥”
    value “信号量初值”

信号量的使用
// 进行条件判断
    // 如果计数 <= 0 ，阻塞；否则立即返回，计数减一
int sem_wait(sem_t* sem);

// 计数加一，唤醒阻塞
int sem_post(sem_t* sem);

信号量的销毁
int sem_destroy(sem_t* sem);

使用信号量实现生产者与消费者模型

//  使用信号量实现生产者消费者模型
#include <iostream>
#include <queue>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define MAX_QUEUE 10
#define MAX_SIZE 4
class RingQueue{
private:
    std::vector<int> _queue;
    int _capacity;
    int _write;    // 写指针
    int _read;     // 读指针

    sem_t _lock;    // 互斥信号量
    sem_t _data;    // 数据资源信号量
    sem_t _space;   // 空闲空间信号量
public:
    RingQueue (int cap = MAX_QUEUE)
        : _capacity(cap)
          , _queue(cap)
          , _write(0)
          , _read(0)
    {
        sem_init(&_lock, 0, 1);
        sem_init(&_space, 0, cap);
        sem_init(&_data, 0, 0);
    }

    ~RingQueue () 
    {
        sem_destroy(&_lock);
        sem_destroy(&_space);
        sem_destroy(&_data);
    }
private:
    // 辅助函数
    void QueueLock() {
        sem_wait(&_lock);
    }
    void QueueUnlock() {
        sem_post(&_lock);
    }

    void ProducterWait() {
        sem_wait(&_space);
    }
    void ProducterPost() {
        sem_post(&_space);
    }
    void ConsumerWait() {
        sem_wait(&_data);
    }
    void ConsumerPost() {
        sem_post(&_data);
    }

public:
    void QueuePush(int data) {
        ProducterWait();        // 判断是否有空闲空间，有则立即返回，没有则等待
        QueueLock();
        _queue[_write] = data;
        _write = (_write + 1) % _capacity;
        QueueUnlock();
        ConsumerPost();         // 唤醒消费者
    }

    void QueuePop(int* data) {
        ConsumerWait();         // 判断是否有数据资源，有则立即返回，没有则等待
        QueueLock();
        *data = _queue[_read];
        _read = (_read + 1) % _capacity;
        QueueUnlock();
        ProducterPost();        // 唤醒生产者
    }

};
void* producter_route(void* arg){
    RingQueue *q = (RingQueue*)arg;
    int i = 0;
    while (1) {
        q->QueuePush(i);
        std::cout << pthread_self()<< "\t" <<"put data: " << i++ << std::endl;
    }
    return NULL;
}

void* consumer_route(void* arg){
    RingQueue *q = (RingQueue*)arg;
    while (1) {
        int data;
        q->QueuePop(&data);
        std::cout << pthread_self()<< "get data:" << data << std::endl;
    }
    return NULL;
}

int main(){
    RingQueue q;
    pthread_t producter_tid[MAX_SIZE], consumer_tid[MAX_SIZE]; 
    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; ++i) {
        int ret = pthread_create(&producter_tid[i], NULL, producter_route, (void*)&q);
        if (ret != 0) {
            std::cout << "create error\n";
            return -1;
        }
    }
    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; ++i) {
        int ret = pthread_create(&consumer_tid[i], NULL, consumer_route, (void*)&q);
        if (ret != 0) {
            std::cout << "create error\n";
            return -1;
        }
    }

    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; ++i) {
        pthread_join(producter_tid[i], NULL);
        pthread_join(consumer_tid[i], NULL);
    }
    return 0;
}