【Linux】生产消费模型实践 --- 基于信号量的环形队列

本文主要是介绍【Linux】生产消费模型实践 --- 基于信号量的环形队列，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

在这里插入图片描述

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其实地球是圆的，

你做的好事终会回到你身上。

--- 何炅 ---

基于信号量的环形队列

1 信号量
2 框架构建
3 代码实现
4 测试运行

1 信号量

信号量本质是一个计数器，可以在初始化时对设置资源数量，进程 / 线程可以获取信号量来对资源进行操作和结束操作可以释放信号量！
用于多进程 / 多线程对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源(信号量也属于临界资源)，使得资源在一个时刻只有一个进程独享。在资源只有一个时就一把互斥锁！

信号量只能进行两种操作获取等待和释放信号，即PV操作：

P(sv):我们将申请获取信号量称为P操作，申请信号量的本质就是申请获得临界资源中某块资源的使用权限，当申请成功时临界资源中资源的数目应该减去一。所以P操作的本质就是让计数器减一，如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行。对应的接口为,使用很简单：
```
#include <semaphore.h>
//阻塞等待获取
int sem_wait(sem_t *sem);
//只进行一次获取，非阻塞等待
int sem_trywait(sem_t *sem);
//时间片内进行等待，超出就退出阻塞！
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
```
V(sv):我们将释放信号量称为V操作，释放信号量的本质就是归还临界资源中某块资源的使用权限，当释放成功时临界资源中资源的数目就应该加一。所以V操作本质就是让计数器加一，如果有其他进程 / 线程因等待sv而被挂起，就发送信号让它恢复运行，如果没有进程 / 线程因等待信号量而挂起，就给他加1。对应接口为：
```
#include <semaphore.h>
//释放获取的信号量
int sem_post(sem_t *sem);
```

PV操作都是原子的，不用担心线程安全！此外信号量初始化和销毁的接口是：

信号量初始化：
```
#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
```
参数分别为：
- sem_t *sem：传入信号量的地址
- pshared：传入0值表示线程间共享，传入非零值表示进程间共享。
- value：信号量的初始值（计数器的初始值）。

信号量销毁：

#include <semaphore.h>
int sem_destroy(sem_t *sem);

2 框架构建

环形队列的成员变量
- 线性容器vector模拟环形队列
- 最大容量 int _max_step
- 消费者位置 _c_step 与生产者位置 _p_step
- 两个信号量来表示生产与消费的剩余容量
  sem_t _data_sem : 当前有多少数据
  sem_t _space_sem: 当前剩余空间还有多少
构造函数初始化
- 最大容量需要给值初始化
- 两个初始位置都为 0
- 信号量初始化 sem_init() 数据为 0 ，空间为最大容量
Push接口用来加入数据
- 首先需要申请信号量 P 来对空间信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
  获取信号量的本质是对资源 –
- 生产进行插入，对应下标向后移动，注意不能越界
- 最后进行释放信号量 V 来对资源信号量进行释放 sem_post()
  释放信号量的本质是对资源 ++
Pop接口用来获取数据
- 首先需要申请信号量 P 来对资源信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
  获取信号量的本质是对资源 –
- 获取队列资源，并进行释放，对应下标向后移动，注意不能越界
- 最后进行释放信号量 V 来对空间信号量进行释放 sem_post()
  释放信号量的本质是对资源 ++
多生产多消费改造：多个生产 / 消费线程存在消费对消费生产对生产的问题！
- 信号量保证了单生产单消费中，两个线程可以通过信号量来保证不会出现访问越界 / 访问重叠的问题！
- 多线程的情况下可能会发生访问同一位置的可能，获取到信号量之后由于中间的处理是临界区，可能会发生线程的切换，就会导致对同一位置进行处理，进而发生问题！
- 为了保证线程安全，需要两把锁，分别管理生产者和消费者！
- 锁的处理：
  - 获取信号量之后再进行加锁，获取信号量是原子的，先申请信号量可以保证多个线程在获取中进行排队等待。
  - 如果先加锁，就只能使一个线程进入到获取信号量的队列中，效率低（电影院先买票在排队，先排队再买票）

6.为什么信号量不加条件判断？:
在环形队列的实现中，没有使用条件变量，像阻塞队列一样进行条件的判断而是直接来不管三七二十一进行获取信号量,因为信号量本身就是判断条件,信号量是用来描述内部资源的多少的，是原子的！本质是一个计数器通过预订机制来保证内部资源的合理使用,当信号量的资源数量为1时和锁时等价的！

3 代码实现

#pragma once#include <vector>
#include <semaphore.h>const int default_cap = 5;template <class T>
class RingQueue
{
public:RingQueue(int max_cap = default_cap) : _rq(max_cap), _max_cap(max_cap), _p_step(0), _c_step(0){// 信号量初始化sem_init(&_space_sem, 0, _max_cap);sem_init(&_data_sem, 0, 0);//锁进行初始化pthread_mutex_init(&_c_mtx , nullptr);pthread_mutex_init(&_p_mtx , nullptr);}// 获取信号量void P(sem_t &sp){sem_wait(&sp);}// 释放信号量void V(sem_t &sp){sem_post(&sp);}// 插入操作void Push(const T &t){// 获取空间信号量 --P(_space_sem);//临界区上锁pthread_mutex_lock(&_p_mtx );_rq[_p_step] = t;_p_step++;_p_step %= _max_cap;//解锁pthread_mutex_unlock(&_p_mtx);// 释放信号量 ++V(_data_sem);}// 获取操作void Pop(T *t){// 获取资源信号量P(_data_sem);pthread_mutex_lock(&_c_mtx);*t = _rq[_c_step];_c_step++;_c_step %= _max_cap;pthread_mutex_unlock(&_c_mtx);// 释放信号量V(_space_sem);}~RingQueue(){// 销毁对应信号量！sem_destroy(&_space_sem);sem_destroy(&_data_sem);//锁进行释放pthread_mutex_destroy(&_c_mtx);pthread_mutex_destroy(&_p_mtx);}private:// 底层线性结构，模拟环形队列std::vector<T> _rq;// 最大容量int _max_cap;// 生产者/消费者 下标int _p_step;int _c_step;// 空间/资源 信号量sem_t _space_sem;sem_t _data_sem;// 生产 / 消费 锁pthread_mutex_t _p_mtx;pthread_mutex_t _c_mtx;};

4 测试运行

我们来做一些简单测试，我们设计了Task类，用于执行加法操作。它包含两个整型参数_x和_y，并提供方法来执行加法并获取结果。通过重载括号运算符，Task对象可以被直接调用以执行计算。此外，类还提供了调试信息和结果输出的功能。

我写了一段代码段用于测试。在该测试中：定义了两个线程函数Consumer和Productor，分别模拟消费者和生产者行为：

Consumer线程不断从环形队列中取出Task对象，执行其操作，并打印消费结果。
Productor线程则持续生成新的Task对象并将其放入队列中，同时打印出生产信息。

主函数main中创建了一个容量为5的RingQueue<Task>实例，并启动了两个线程。pthread_create用于创建线程，pthread_join确保主线程等待子线程执行完毕。通过这种方式，我们验证了环形队列在多线程环境下的线程安全性和功能正确性。

#include <iostream>
#include "RingQueue.hpp"
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include "Task.hpp"void *Consumer(void *args)
{RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);srand(time(nullptr) ^ getpid());while (true){// 不断的进行获取Task data ;rq->Pop(&data);data();std::cout << "Consumer 消费者消费 -> " << data.result() << std::endl;sleep(1);}
}
void *Productor(void *args)
{RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);srand(time(nullptr) ^ getpid());while (true){// 不断的进行写入int num1 = rand() % 10;usleep(1000);int num2 = rand() % 10;Task t(num1 , num2);rq->Push(t);std::cout << "Productor 生产者生产 -> " << t.debug() << std::endl;usleep(10000);}
}int main()
{// 环形队列RingQueue<Task> rq(5);// 使用两个线程来测试pthread_t t1, t2;pthread_create(&t1, nullptr, Consumer, &rq);pthread_create(&t2, nullptr, Productor, &rq);pthread_join(t1, nullptr);pthread_join(t2, nullptr);
}