生产者消费者问题（Producer-consumer problem）

有限缓冲问题（Bounded-buffer problem）

概念

• 为何要使用生产者消费者模型生产者消费者模式就是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。

  • 生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而通过阻塞队列来进行通讯。
  • 生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者索要数据，而是直接从阻塞队列里取，阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力。这个阻塞队列就是用来给生产者和消费者解耦的。

• 生产者根据数据来源生成数据与消费者加工数据都是需要耗费资源的，多生产者多消费者的意义就是提高这方面的效率。

关系

• 生产者 与 生产者:互斥。
• 消费者 与 消费者:互斥。
• 生产者 与 消费者：互斥（保证数据安全），同步——保证它们在访问共享资源的时候具有一定的顺序性。（因为它们都需要访问共享资源）

总结：

• 3种关系。
• 2种角色。
• 1个用于生产者和消费者交易场所——特定结构的内存空间。

构建

1. 基于BlockingQueue的生产者消费者模型。

   • 在多线程编程中阻塞队列(Blocking Queue)是一种常用于实现生产者和消费者模型的数据结构。
   • 其与普通的队列区别在于，当队列为空时，从队列获取元素的操作将会被阻塞，直到队列中被放入了元素；当队列满时，往队列里存放元素的操作也会被阻塞，直到有元素从队列中被取出
   • 上述的操作都是基于不同的线程来说的，线程在对阻塞队列进程操作时会被阻塞

使用条件变量实现简单生产者-消费者模型的示例：

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

#define BUFFER_SIZE 10

int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* producer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        while (count == BUFFER_SIZE) {
            // 等待消费者消费
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }

        // 生产数据
        buffer[count++] = i;
        printf("Produced: %d\n", i);

        // 唤醒消费者
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        while (count == 0) {
            // 等待生产者生产
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }

        // 消费数据
        int item = buffer[--count];
        printf("Consumed: %d\n", item);

        // 唤醒生产者
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod_thread, cons_thread;

    // 创建生产者和消费者线程
    pthread_create(&prod_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons_thread, NULL, consumer, NULL);

    // 等待线程完成
    pthread_join(prod_thread, NULL);
    pthread_join(cons_thread, NULL);

    // 销毁互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}

2. 基于基于环形队列的生产者消费者模型。

   • 当消费者和生产者不指向同一个位置的时候，才时访问，其余情况都可以并发访问。

   • 当队列为空，需要生产者先生产,列满了也就没有剩余空间，无法再继续生产。消费者同理。

伪唤醒

伪唤醒（Spurious Wakeup）是指在多线程编程中，资源条件已不满足，但线程被唤醒的现象。这种现象在使用条件变量（condition variable）进行线程同步时可能会发生。

为了防止这种情况，我们需要使用while（条件判断）的方法。