转----秒杀多线程第十篇 生产者消费者问题

继经典线程同步问题之 后，我们来看看生产者消费者问题及读者写者问题。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);
27. //互斥的访问缓冲区
28. EnterCriticalSection(&g_cs);
29. g_Buffer = i;
30. printf("生产者将数据%d放入缓冲区\n", i);
31. LeaveCriticalSection(&g_cs);
32. //通知缓冲区有新数据了
33. SetEvent(g_hEventBufferFull);
34. }
35. return 0;
36. }
37. //消费者线程函数
38. unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM)
39. {
40. volatile bool flag = true;
41. while (flag)
42. {
43. //等待缓冲区中有数据
44. WaitForSingleObject(g_hEventBufferFull, INFINITE);
45. //互斥的访问缓冲区
46. EnterCriticalSection(&g_cs);
47. SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
48. printf("  消费者从缓冲区中取数据%d\n", g_Buffer);
49. SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
50. if (g_Buffer == END_PRODUCE_NUMBER)
51. flag = false;
52. LeaveCriticalSection(&g_cs);
53. //通知缓冲区已为空
54. SetEvent(g_hEventBufferEmpty);
55. Sleep(10); //some other work should to do
56. }
57. return 0;
58. }
59. int main()
60. {
61. printf("  生产者消费者问题   1生产者 1消费者 1缓冲区\n");
62. printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");
63. InitializeCriticalSection(&g_cs);
64. //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
65. g_hEventBufferEmpty = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL);
66. g_hEventBufferFull = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);
67. const int THREADNUM = 2;
68. HANDLE hThread[THREADNUM];
69. hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL);
70. hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
71. WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE);
72. CloseHandle(hThread[0]);
73. CloseHandle(hThread[1]);
74. //销毁事件和关键段
75. CloseHandle(g_hEventBufferEmpty);
76. CloseHandle(g_hEventBufferFull);
77. DeleteCriticalSection(&g_cs);
78. return 0;
79. }

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;
11. return SetConsoleTextAttribute(hConsole, wAttributes);
12. }
13. const int END_PRODUCE_NUMBER = 8;  //生产产品个数
14. const int BUFFER_SIZE = 4;          //缓冲区个数
15. int g_Buffer[BUFFER_SIZE];          //缓冲池
16. int g_i, g_j;
17. //信号量与关键段
18. CRITICAL_SECTION g_cs;
19. HANDLE g_hSemaphoreBufferEmpty, g_hSemaphoreBufferFull;
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. //等待有空的缓冲区出现
26. WaitForSingleObject(g_hSemaphoreBufferEmpty, INFINITE);
27. //互斥的访问缓冲区
28. EnterCriticalSection(&g_cs);
29. g_Buffer[g_i] = i;
30. 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]);
31. g_i = (g_i + 1) % BUFFER_SIZE;
32. LeaveCriticalSection(&g_cs);
33. //通知消费者有新数据了
34. ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull, 1, NULL);
35. }
36. printf("生产者完成任务，线程结束运行\n");
37. return 0;
38. }
39. //消费者线程函数
40. unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM)
41. {
42. while (true)
43. {
44. //等待非空的缓冲区出现
45. WaitForSingleObject(g_hSemaphoreBufferFull, INFINITE);
46. //互斥的访问缓冲区
47. EnterCriticalSection(&g_cs);
48. SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
49. 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]);
50. SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
51. if (g_Buffer[g_j] == END_PRODUCE_NUMBER)//结束标志
52. {
53. LeaveCriticalSection(&g_cs);
54. //通知其它消费者有新数据了(结束标志)
55. ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull, 1, NULL);
56. break;
57. }
58. g_j = (g_j + 1) % BUFFER_SIZE;
59. LeaveCriticalSection(&g_cs);
60. Sleep(50); //some other work to do
61. ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferEmpty, 1, NULL);
62. }
63. SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
64. printf("  编号为%d的消费者收到通知，线程结束运行\n", GetCurrentThreadId());
65. SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
66. return 0;
67. }
68. int main()
69. {
70. printf("  生产者消费者问题   1生产者 2消费者 4缓冲区\n");
71. printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");
72. InitializeCriticalSection(&g_cs);
73. //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.
74. g_hSemaphoreBufferEmpty = CreateSemaphore(NULL, 4, 4, NULL);
75. g_hSemaphoreBufferFull  = CreateSemaphore(NULL, 0, 4, NULL);
76. g_i = 0;
77. g_j = 0;
78. memset(g_Buffer, 0, sizeof(g_Buffer));
79. const int THREADNUM = 3;
80. HANDLE hThread[THREADNUM];
81. //生产者线程
82. hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL);
83. //消费者线程
84. hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
85. hThread[2] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
86. WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE);
87. for (int i = 0; i < THREADNUM; i++)
88. CloseHandle(hThread[i]);
89. //销毁信号量和关键段
90. CloseHandle(g_hSemaphoreBufferEmpty);
91. CloseHandle(g_hSemaphoreBufferFull);
92. DeleteCriticalSection(&g_cs);
93. return 0;
94. }

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。

下一篇《秒杀多线程第十一篇读者写者问题》将介绍另一个著名的同步问题——读者写者问题，欢迎大家再来参阅。

转载请标明出处，原文地址：http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7577591

如果觉得本文对您有帮助，请点击‘顶’支持一下，您的支持是我写作最大的动力，谢谢。