生产者-消费者问题及C语言实现

问题描述

生产者-消费者问题是最著名的进程同步问题。它描述了一组生产者与一组消费者，它们共享一个有界缓冲池，生产者向池中投入产品，消费者从池中取得产品。假定缓冲池中有
N 个缓冲区，每个缓冲区只能存放一个类型为 item 的产品，而所有的生产者和消费者是相互等效的，则需要为该问题设置三个信号量：互斥信号量 mutex，用于实现对缓冲池的互斥访问，其初值为 1；资源信号量 empty，用来表示空闲缓冲区的数量，其初值为 n；资源信号量 full，用来表示满缓冲区的数量，即缓冲池中可供消费的产品数量，其初值为 0。empty 和 full 用来同步生产者和消费者进程，即当缓冲池全空时，消费者进程必须等待；缓冲池全满时，生产者进程必须等待。具体的算法描述如下：

int in = 0, out = 0;
Item buffer
;
semaphore mutex, empty, full;

void producer()
{
while(1)
{
produce an item nextp;
...
wait(empty);//向空闲缓冲区信号量empty中申请一个，如果没有，则阻塞该进程；如果有，则继续执行
wait(mutex);//临界区资源需要使用互斥量，保证只有一个线程可以访问，避免多线程访问冲突。
buffer[in] = nextp;
in = (in + 1) % N;
signal(mutex);//释放一个信号量，临界区访问结束
signal(full);//满缓冲区信号量full中加 1
}
}
void consumer()
{
while(1)
{
wait(full);//向满缓冲区信号量full申请一个，如果没有，则阻塞该进程；如果有，则继续执行
wait(mutex);//同理，临界区资源需要互斥访问
nextc = buffer[out];
out = (out + 1) % N;
signal(mutex);
signal(empty);//空闲缓冲区empty中加 1
consume the item in nextc
...
}
}

C语言实现生产者-消费者问题

#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <stdlib.h>

#define N 50

int in = 0, out = 0;
int Buffer
= { 0 };//表示缓冲池，类型为int

HANDLE dmutex, dempty, dfull;

DWORD WINAPI producer(void *p)
{
while (1)
{
WaitForSingleObject(dempty, INFINITE);
WaitForSingleObject(dmutex, INFINITE);

Buffer[in] = 1;
in = (in + 1) % N;
printf("produce an item %d\n", in);
Sleep(500);//减慢打印速度

ReleaseSemaphore(dmutex, 1, NULL);
ReleaseSemaphore(dfull, 1, NULL);

}
return 0;
}

DWORD WINAPI consumer(void *p)
{
while (1)
{
WaitForSingleObject(dfull, INFINITE);
WaitForSingleObject(dmutex, INFINITE);

out = (out + 1) % N;
printf("consume an item %d\n", out);
Sleep(500);//减慢打印速度

ReleaseSemaphore(dmutex, 1, NULL);
ReleaseSemaphore(dempty, 1, NULL);

}
return 0;
}

int main()
{
//创建信号量
dmutex = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);
dempty = CreateSemaphore(NULL, N, N, NULL);
dfull = CreateSemaphore(NULL, 0, N, NULL);

HANDLE hdproducer[5];
HANDLE hdconsumer[5];

for (int i = 0; i < 5; i++)//创建 5 个生产者线程
{
hdproducer[i] = CreateThread(NULL, 0, producer, NULL, 0, 0);
}

for (int i = 0; i < 5; i++)//创建 5 个消费者线程
{
hdconsumer[i] = CreateThread(NULL, 0, consumer, NULL, 0, 0);
}

WaitForMultipleObjects(5, hdproducer, TRUE, INFINITE);//等待所有生产者线程结束
WaitForMultipleObjects(5, hdconsumer, TRUE, INFINITE);//等待所有消费者线程结束

return 0;
}