生产者－消费者问题（操作系统）原理与实现

生产者-消费者问题是一个经典的进程同步问题，该问题最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的信号量机制。在同一个进程地址空间内执行的两个线程生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放出一个空缓冲区。当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻塞，直到新的物品被生产出来。



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#include <windows h="">
#include <iostream>
const unsigned short SIZE_OF_BUFFER = 10; //缓冲区长度
unsigned short ProductID = 0; //产品号
unsigned short ConsumeID = 0; //将被消耗的产品号
unsigned short in = 0; //产品进缓冲区时的缓冲区下标
unsigned short out = 0; //产品出缓冲区时的缓冲区下标
int g_buffer[SIZE_OF_BUFFER]; //缓冲区是个循环队列
bool g_continue = true; //控制程序结束
HANDLE g_hMutex; //用于线程间的互斥
HANDLE g_hFullSemaphore; //当缓冲区满时迫使生产者等待
HANDLE g_hEmptySemaphore; //当缓冲区空时迫使消费者等待
DWORD WINAPI Producer(LPVOID); //生产者线程
DWORD WINAPI Consumer(LPVOID); //消费者线程
int main()
{
    //创建各个互斥信号
	  g_hMutex = CreateMutex(NULL,FALSE,NULL);
	  g_hFullSemaphore = CreateSemaphore(NULL,SIZE_OF_BUFFER-1,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);
	  g_hEmptySemaphore = CreateSemaphore(NULL,0,SIZE_OF_BUFFER-1,NULL);
	//调整下面的数值，可以发现，当生产者个数多于消费者个数时，
	//生产速度快，生产者经常等待消费者；反之，消费者经常等待
	const unsigned short PRODUCERS_COUNT = 3; //生产者的个数
	const unsigned short CONSUMERS_COUNT = 5; //消费者的个数
	//总的线程数
	const unsigned short THREADS_COUNT = PRODUCERS_COUNT+CONSUMERS_COUNT;
	HANDLE hThreads[PRODUCERS_COUNT]; //各线程的handle
	DWORD producerID[CONSUMERS_COUNT]; //生产者线程的标识符
	DWORD consumerID[THREADS_COUNT]; //消费者线程的标识符
	//创建生产者线程
	for (int i=0;i<PRODUCERS_COUNT;++i)
	{
		hThreads[i]=CreateThread(NULL,0,Producer,NULL,0,&producerID[i]);
		if (hThreads[i]==NULL) return -1;
	}
	//创建消费者线程
	for (int i=0;i<CONSUMERS_COUNT;++i)
	{
	   hThreads[PRODUCERS_COUNT+i]=CreateThread(NULL,0,Consumer,NULL,0,&consumerID[i]);
	   if (hThreads[i]==NULL) return -1;
	}
	while(g_continue)
	{
	   if(getchar())
		{ //按回车后终止程序运行
		   g_continue = false;
		}
	}
	return 0;
}
//生产一个产品。简单模拟了一下，仅输出新产品的ID号
void Produce()
{
    std::cerr << "Producing " << ++ProductID << " ... ";
    std::cerr << "Succeed" << std::endl;
}
//把新生产的产品放入缓冲区
void Append()
{
   std::cerr << "Appending a product ... ";
   g_buffer[in] = ProductID;
   in = (in+1)%SIZE_OF_BUFFER;
   std::cerr << "Succeed" << std::endl;
//输出缓冲区当前的状态
	for (int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i)
	{
		std::cout << i <<": " << g_buffer[i];
		if (i==in) std::cout << " <-- 生产";
		if (i==out) std::cout << " <-- 消费";
		std::cout << std::endl;
    }
}
//从缓冲区中取出一个产品
void Take()
{
	std::cerr << "Taking a product ... ";
	ConsumeID = g_buffer[out];
	out = (out+1)%SIZE_OF_BUFFER;
	std::cerr << "Succeed" << std::endl;
	//输出缓冲区当前的状态
	for (int i=0;i<SIZE_OF_BUFFER;++i)
	{
		std::cout << i <<": " << g_buffer[i];
		if (i==in) std::cout << " <-- 生产";
		if (i==out) std::cout << " <-- 消费";
		std::cout << std::endl;
	}
}
//消耗一个产品
void Consume()
{
	std::cerr << "Consuming " << ConsumeID << " ... ";
	std::cerr << "Succeed" << std::endl;
}
//生产者
DWORD WINAPI Producer(LPVOID lpPara)
{
	while(g_continue)
	{
		WaitForSingleObject(g_hFullSemaphore,INFINITE);  //WaitForSingleObject 函数用来检测 hHandle 事件的信号状态，当函数的执行时间超过 dwMilliseconds 就返回，但如果参数 dwMilliseconds 为 INFINITE 时函数将直到相应时间事件变成有信号状态才返回，否则就一直等待下去，直到 WaitForSingleObject 有返回直才执行后面的代码。
		WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE); 
		Produce();                             
		Append();                         
		Sleep(1500);
		ReleaseMutex(g_hMutex);
		ReleaseSemaphore(g_hEmptySemaphore,1,NULL);
	}
	return 0;
}
//消费者
DWORD WINAPI Consumer(LPVOID lpPara)
{
	while(g_continue)
	{
		WaitForSingleObject(g_hEmptySemaphore,INFINITE);
		WaitForSingleObject(g_hMutex,INFINITE);
		Take();
		Consume();
		Sleep(1500);
		ReleaseMutex(g_hMutex);
		ReleaseSemaphore(g_hFullSemaphore,1,NULL);
	}
	return 0;
}

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需要注意的地方：

如果将两个wait操作即wait（full）和wait（mutex）互换位置，或者将release（mutex）与release（full）互换位置，当缓冲区存满产品时，生产者又生产了一件产品，它欲向缓冲区存放时将在empty上等待，但它已经占有了使用缓冲区的权利。这时消费者要取产品时将停留在mutex上得不到使用缓冲区的权利，导致生产者等待消费者取走产品，而消费者却在等待生产者释放使用缓冲区的权利，这种相互等待永远结束不了。因此进程将会发生死锁。

WaitForSingleObject 函数用来检测 hHandle 事件的信号状态，当函数的执行时间超过 dwMilliseconds 就返回，但如果参数 dwMilliseconds 为 INFINITE 时函数将直到相应时间事件变成有信号状态才返回，否则就一直等待下去，直到 WaitForSingleObject 有返回直才执行后面的代码。

原文链接：http://blog.sina.com.cn/s/blog_58069bd20100as5w.html点击打开链接