用带头结点的单链表实现生产者消费者模型

柔光的暖阳◎ 2022-05-15 08:45 148阅读 0赞

# 一、多线程的售票引发的问题 #

多线程间Linux下线程和线程共享全局变量、代码段、数据段、文件描述符表，这么多的临界资源在使用时也可能会带来一些麻烦

例如：

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    
    int ticket = 100;
    void *route(void *arg)
    {
     char *id = (char*)arg;
     while ( 1 ) {
     if ( ticket > 0 ) {
     usleep(1000);
     printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
     ticket--;
     } else {
     break;
            }
        }
    }
    
    int main()
    {
     pthread_t t1, t2, t3;
     pthread_create(&t1, NULL, route, "thread 1");
     pthread_create(&t2, NULL, route, "thread 2");
     pthread_create(&t3, NULL, route, "thread 3");
    
     pthread_join(t1,NULL);
     pthread_join(t2,NULL);
     pthread_join(t3,NULL);
    }

不同的执行流对同一个全局变量进行操作，这个**操作不是原子的**。从内存读到CPU中，CPU中进行操作，操作后写回到内存中，步骤2完成后进程切换出去，保存操作2之后的数据进行等待，后续线程依然从起始的数开始操作，等所有的操作完成后都一起返回，第一个操作返回的数据是第一次操作后的。

第一个线程在CPU中将100张票减一后被切换出CPU，此时内存中的票数还是100张，线程2从内存中读取出票数进行减减操作（还是从100开始减减）等所有的进程都操作完成后线程一写回内存时票数是当时操作完的99张。造成一张票被卖出多次的情况。

这时就需要使用线程的同步与互斥机制保护临界资源，互斥说明一个线程在操作临界资源时其他线程不能访问临界资源，同步说明多个线程在访问临界资源时是按照一定顺序访问的。

# 二、线程互斥锁 #

线程中 互斥：互斥锁

定义互斥锁：pthread\_mutex\_t lock;

初始化：pthread\_mutex\_init（pthread\_mutex\_t \*restrict mutex, const pthread\_mutexattr\_t \*restrict attr）；

mutex：要初始化的互斥量  
 attr：NULL

销毁：pthread\_mutex\_destroy(pthread\_mutex\_t \*mutex);

注意不要销毁一个已经加锁的互斥量，已经销毁的互斥量要确保后面不会再次被加锁

加锁：pthread\_lock(pthread\_mutex\_t \*mutex);

解锁：pthread\_unclock(pthread\_mutex\_t \*mutex);

加锁和解锁成功返回0，失败返回错误码。

其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互  
斥量，那么pthread\_ lock调⽤会**陷⼊阻塞**，**等待互斥量解锁**。

# 三、生产者消费者模型 #

三个关系：生产者与生产者之间互斥关系，生产者与消费者之间互斥且同步关系（放的同时取，是放还是没放，取还是没取二义性；必须有人买才能添加，必须有人添加才能消费）消费者与消费者之间互斥关系，使用互斥锁。

两个角色：生产者消费者

一个场所：只要能存取数据就可以

实现一个生产场所为带头单链表的生产者消费者模型：

\*\***因为优先级或避免竞争能力强的线程不断的获取锁释放锁，另一个进程得不到锁，饥饿问题数据**

条件变量可以很好的解决

条件变量：线程间同步，当⼀个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了只能等待。直到其他线程将状态改变例如，消费者互斥的访问链表消费场所为空时消费者就一直等待，等待生产者生产一个结点加入链表，pthread\_cond\_wait()必须与互斥锁配合使用

如果不符合条件就不获取锁int pthread\_cond\_wait()**等的时候默认释放锁**，等的时候什么都不干，如果不释放锁没人释放了别的线程不能获取到锁，造成了死锁问题（已经进入获取到锁了），**被signal或其他方式唤醒时重新获得锁并从等待处继续执行**

1 //单生产者单消费者                                                                                                   
      2 //带头的单向链表作为交易场所                                                                                         
      3 #include <stdio.h>                                                                                                   
      4 #include <sys/types.h>                                                                                               
      5 #include <unistd.h>                                                                                                  
      6 #include <pthread.h>                                                                                                 
      7 #include <sys/syscall.h>                                                                                             
      8 #include <stdlib.h>                                                                                                  
      9 #include <pthread.h>                                                                                                 
     10 typedef struct _Node                                                                                                 
     11 {                                                                                                                    
     12   int data;                                                                                                          
     13   struct _Node *next;                                                                                                
     14 }node_t,*node_p,**node_pp;                                                                                           
     15 pthread_mutex_t lock;                                                                                                
     16 pthread_cond_t cond;                                                                                                 
     17 node_p Create_Node(int data)                                                                                         
     18 {                                                                                                                    
     19   node_p new_node = (node_p)malloc(sizeof(node_t));  
     20   if(new_node == NULL)                                                                                               
     21   {                                                                                                                  
     22     perror("malloc\n");                                                                                              
     23     exit(1);                                                                                                         
     24   }                                                                                                                  
     25   new_node->data = data;                                                                                             
     26   new_node->next = NULL;                                                                                             
     27   return new_node;                                                                                                   
     28 }                                                                                                                    
     29                                                                                                                      
     30 void DestroyNode(node_p to_delete)                                                                                   
     31 {                                                                                                                    
     32   if(to_delete != NULL)                                                                                              
     33   {                                                                                                                  
     34     free(to_delete);                                                                                                 
     35     to_delete = NULL;                                                                                                
     36   }                                                                                                                  
     37 }                                                                                                                    
     38 void Init_List(node_pp head) 
     {                                                                                                                    
     40  // head = Create_Node(0);                                                                                           
     41     *head = Create_Node(0);                                                                                          
     42 }                                                                                                                    
     43                                                                                                                      
     44 void Link_Push(node_p head,int num)                                                                                  
     45 {                                                                                                                    
     46   node_p new_node = Create_Node(num);                                                                                
     47   new_node->next = head->next;                                                                                       
     48   head->next = new_node;                                                                                             
     49 }                                                                                                                    
     50                                                                                                                      
     51 void List_Pop(node_p head,int *num)//输出型参数                                                                      
     52 {                                                                                                                    
     53   if(head->next != NULL)                                                                                             
     54   {                                                                                                                  
     55     node_p to_delete = head->next;                                                                                   
     56     *num = to_delete->data;                                                                                          
     57     head->next = to_delete->next;   
        DestroyNode(to_delete);                                                                                          
     59   }                                                                                                                  
     60 }                                                                                                                    
     61                                                                                                                      
     62 void PrintList(node_p head)                                                                                          
     63 {                                                                                                                    
     64   node_p cur = head->next;                                                                                           
     65   if(cur != NULL)                                                                                                    
     66   {                                                                                                                  
     67     printf("%d | %p\n",cur->data, cur);                                                                              
     68     cur = cur->next;                                                                                                 
     69   }                                                                                                                  
     70 }                                                                                                                    
     71                                                                                                                      
     72 void DestroyList(node_p head)                                                                                        
     73 {                                                                                                                    
     74   int x;                                                                                                             
     75   node_p cur = head->next;                                                                                           
     76   if(cur != NULL)       
     77   {                                                                                                                  
     78     List_Pop(head,&x);                                                                                               
     79     cur = cur->next;                                                                                                 
     80   }                                                                                                                  
     81   free(head);                                                                                                        
     82 }                                                                                                                    
     83                                                                                                                      
     84 void *consumer(void *arg)                                                                                            
     85 {                                                                                                                    
     86   node_p head = (node_p )arg;                                                                                        
     87   while(1)                                                                                                           
     88   {                                                                                                                  
     89     int data = 0;                                                                                                    
     90     pthread_mutex_lock(&lock);                                                                                       
     91     while(head->next == NULL)                                                                                        
     92     {                                                                                                                
     93       printf("no data for consume\n");//什么都没干就只有申请锁释放锁    
     94       pthread_cond_wait(&cond,&lock);//没有数据不可以消费就等待，释放锁，条件变量实现了同步                          
     95       //可能被异常唤醒，消费场所里还是没有数据while循环进行判断                                                      
     96     }                                                                                                                
     97     List_Pop(head,&data);                                                                                            
     98     printf("consumer done! data = %d\n",data);                                                                       
     99     pthread_mutex_unlock(&lock);//退出前解锁                                                                         
    100     sleep(1);                                                                                                        
    101   }                                                                                                                  
    102 }                                                                                                                    
    103                                                                                                                      
    104 void *producter(void *arg)                                                                                           
    105 {                                                                                                                    
    106   node_p head = (node_p )arg;                                                                                        
    107   while(1)                                                                                                           
    108   {                                                                                                                  
    109     int data = 0;                                                                                                    
    110     data = rand()%100+1;                                                                                             
    111     pthread_mutex_lock(&lock); 
    112     Link_Push(head,data);//放入消费场所                                                                              
    113     pthread_mutex_unlock(&lock);                                                                                     
    114     //pthread_cond_signal(&cond);//放入后唤醒等待条件变量                                                            
    115     pthread_cond_broadcast(&cond);//通知所有的线程                                                                   
    116     printf("product down data = %d\n",data);                                                                         
    117     sleep(5);                                                                                                        
    118   }                                                                                                                  
    119 }                                                                                                                    
    120 int main()                                                                                                           
    121 {                                                                                                                    
    122   pthread_mutex_init(&lock,NULL);                                                                                    
    123   pthread_cond_init(&cond,NULL);                                                                                     
    124   node_p  head;                                                                                                      
    125   Init_List(&head);                                                                                                  
    126   srand((unsigned long)time(NULL));                                                                                  
    127   pthread_t p,c;                                                                                                     
    128   pthread_create(&c,NULL,consumer,(void *)head);                                                                     
    129   pthread_create(&p,NULL,producter,(void *)head);  
    130                                                                                                                      
    131   pthread_join(c,NULL);                                                                                              
    132   pthread_join(p,NULL);                                                                                              
    133   pthread_mutex_destroy(&lock);                                                                                      
    134   pthread_cond_destroy(&cond); 
    135 }