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》。

//1生产者 1消费者 1缓冲区
//使用二个事件，一个表示缓冲区空，一个表示缓冲区满。
//再使用一个关键段来控制缓冲区的访问
#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>
//设置控制台输出颜色
BOOL SetConsoleColor(WORD wAttributes)
{
	HANDLE hConsole = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
	if (hConsole == INVALID_HANDLE_VALUE)
		return FALSE;	
	return SetConsoleTextAttribute(hConsole, wAttributes);
}
const int END_PRODUCE_NUMBER = 10;   //生产产品个数
int g_Buffer;                        //缓冲区
//事件与关键段
CRITICAL_SECTION g_cs;
HANDLE g_hEventBufferEmpty, g_hEventBufferFull;
//生产者线程函数
unsigned int __stdcall ProducerThreadFun(PVOID pM)
{
	for (int i = 1; i <= END_PRODUCE_NUMBER; i++)
	{
		//等待缓冲区为空
		WaitForSingleObject(g_hEventBufferEmpty, INFINITE);

		//互斥的访问缓冲区
		EnterCriticalSection(&g_cs);
		g_Buffer = i;
		printf("生产者将数据%d放入缓冲区\n", i);
		LeaveCriticalSection(&g_cs);
		
		//通知缓冲区有新数据了
		SetEvent(g_hEventBufferFull);
	}
	return 0;
}
//消费者线程函数
unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM)
{
	volatile bool flag = true;
	while (flag)
	{
		//等待缓冲区中有数据
		WaitForSingleObject(g_hEventBufferFull, INFINITE);
		
		//互斥的访问缓冲区
		EnterCriticalSection(&g_cs);
		SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
		printf("  消费者从缓冲区中取数据%d\n", g_Buffer);
		SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
		if (g_Buffer == END_PRODUCE_NUMBER)
			flag = false;
		LeaveCriticalSection(&g_cs);
		
		//通知缓冲区已为空
		SetEvent(g_hEventBufferEmpty);

		Sleep(10); //some other work should to do
	}
	return 0;
}
int main()
{
	printf("  生产者消费者问题   1生产者 1消费者 1缓冲区\n");
	printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");

	InitializeCriticalSection(&g_cs);
	//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
	g_hEventBufferEmpty = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL);
	g_hEventBufferFull = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);
	
	const int THREADNUM = 2;
	HANDLE hThread[THREADNUM];
	
	hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL);
	hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
	WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE);
	CloseHandle(hThread[0]);
	CloseHandle(hThread[1]);
	
	//销毁事件和关键段
	CloseHandle(g_hEventBufferEmpty);
	CloseHandle(g_hEventBufferFull);
	DeleteCriticalSection(&g_cs);
	return 0;
}

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：

//1生产者 2消费者 4缓冲区
#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>
//设置控制台输出颜色
BOOL SetConsoleColor(WORD wAttributes)
{
	HANDLE hConsole = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
	if (hConsole == INVALID_HANDLE_VALUE)
		return FALSE;
	
	return SetConsoleTextAttribute(hConsole, wAttributes);
}
const int END_PRODUCE_NUMBER = 8;  //生产产品个数
const int BUFFER_SIZE = 4;          //缓冲区个数
int g_Buffer[BUFFER_SIZE];          //缓冲池
int g_i, g_j;
//信号量与关键段
CRITICAL_SECTION g_cs;
HANDLE g_hSemaphoreBufferEmpty, g_hSemaphoreBufferFull;
//生产者线程函数
unsigned int __stdcall ProducerThreadFun(PVOID pM)
{
	for (int i = 1; i <= END_PRODUCE_NUMBER; i++)
	{
		//等待有空的缓冲区出现
		WaitForSingleObject(g_hSemaphoreBufferEmpty, INFINITE);

		//互斥的访问缓冲区
		EnterCriticalSection(&g_cs);
		g_Buffer[g_i] = i;
		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]);
		g_i = (g_i + 1) % BUFFER_SIZE;
		LeaveCriticalSection(&g_cs);

		//通知消费者有新数据了
		ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull, 1, NULL);
	}
	printf("生产者完成任务，线程结束运行\n");
	return 0;
}
//消费者线程函数
unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM)
{
	while (true)
	{
		//等待非空的缓冲区出现
		WaitForSingleObject(g_hSemaphoreBufferFull, INFINITE);
		
		//互斥的访问缓冲区
		EnterCriticalSection(&g_cs);
		SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
		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]);
		SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
		if (g_Buffer[g_j] == END_PRODUCE_NUMBER)//结束标志
		{
			LeaveCriticalSection(&g_cs);
			//通知其它消费者有新数据了(结束标志)
			ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull, 1, NULL);
			break;
		}
		g_j = (g_j + 1) % BUFFER_SIZE;
		LeaveCriticalSection(&g_cs);

		Sleep(50); //some other work to do

		ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferEmpty, 1, NULL);
	}
	SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
	printf("  编号为%d的消费者收到通知，线程结束运行\n", GetCurrentThreadId());
	SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
	return 0;
}
int main()
{
	printf("  生产者消费者问题   1生产者 2消费者 4缓冲区\n");
	printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --\n\n");

	InitializeCriticalSection(&g_cs);
	//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.
	g_hSemaphoreBufferEmpty = CreateSemaphore(NULL, 4, 4, NULL);
	g_hSemaphoreBufferFull  = CreateSemaphore(NULL, 0, 4, NULL);
	g_i = 0;
	g_j = 0;
	memset(g_Buffer, 0, sizeof(g_Buffer));

	const int THREADNUM = 3;
	HANDLE hThread[THREADNUM];
	//生产者线程
	hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL);
	//消费者线程
	hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
	hThread[2] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
	WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE);
	for (int i = 0; i < THREADNUM; i++)
		CloseHandle(hThread[i]);

	//销毁信号量和关键段
	CloseHandle(g_hSemaphoreBufferEmpty);
	CloseHandle(g_hSemaphoreBufferFull);
	DeleteCriticalSection(&g_cs);
	return 0;
}

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。

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