Linux知识点 -- Linux多线程(三)

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Linux知识点 – Linux多线程(三)


一、线程同步

1.概念理解

持有锁的线程会频繁进入临界区申请临界资源,造成其他进程饥饿的问题;
这本身是没有错的,但是不合理;
线程同步:就是线程按照一定的顺序,进行临界资源的访问;主要就是为了解决访问临界资源和理性的问题;在保证数据安全的前提下,让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源,从而有效避免饥饿问题;

2.条件变量

  • 当我们申请临界资源前,需要先做临界资源是否存在的检测,做检测的本质也是访问临界资源;

  • 对临界资源的检测,也一定是要在加锁和解锁之间的;

  • 常规的方式检测条件是否就绪,注定了我们必须要频繁申请和释放锁,我们可以使用条件变量来完成检测:
    (1)资源未就绪的时候,不要让线程再频繁检测,让线程等待;
    (2)当条件就绪时,通知对应的线程,让其进行资源的申请和访问;

  • 初始化条件变量:
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  • 条件不满足时,等待:
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  • 条件满足时,发通知:
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    broadcast是将等待的线程全部唤醒;
    signal是将特定的线程唤醒;

注:pthread库返回值都是成功返回0,失败返回错误码;

3.使用条件变量进行线程同步

按照一定顺序控制线程:

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define TNUM 4//共四个线程
typedef void (*func_t) (const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond);//定义函数指针

class ThreadData
{
public:
    ThreadData(const string& name, func_t func, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
        : _name(name)
        , _func(func)
        , _pmtx(pmtx)
        , _pcond(pcond)
    {}
public:
    string _name;//线程名
    func_t _func;//线程回调的函数
    pthread_mutex_t* _pmtx;//锁
    pthread_cond_t* _pcond;//条件变量
};

void func1(const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(true)
    {
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx);//默认该线程执行的时候,wait代码被执行,当前线程会立即被阻塞
                                        //阻塞就是将当前进程放进一个队列中去等待,并且再等待条件满足后被唤醒
        cout << name << "running -- 播放" << endl;
    }
}

void func2(const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(true)
    {
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx);
        cout << name << "running -- 下载" << endl;
    }
}

void func3(const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(true)
    {
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx);
        cout << name << "running -- 刷新" << endl;
    }
}

void func4(const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(true)
    {
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx);
        cout << name << "running -- 扫描" << endl;
    }
}

//每一个线程都进入Entry接口,在entry接口内调用自己的函数
void* Entry(void* args)
{
    ThreadData* td = (ThreadData*)args;//td在每一个线程自己私有的栈空间中保存
    td->_func(td->_name, td->_pmtx, td->_pcond);//这是一个函数,调用完就返回这里
    delete td;//需要在td使用完后进行销毁
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_mutex_t mtx;    //锁
    pthread_cond_t cond;    //条件变量
    pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);
    pthread_cond_init(&cond, nullptr);

    pthread_t tids[TNUM];
    func_t funcs[TNUM] = {func1, func2, func3, func4};
    for(int i = 0; i < TNUM; i++)
    {
        string name = "Thread ";
        name += to_string(i + 1);
        ThreadData* td = new ThreadData(name, funcs[i], &mtx, &cond);
        pthread_create(tids + i, nullptr, Entry, (void*)td);
    }

    sleep(5);//主线程sleep,新线程创建出来都在wait

    while(true)
    {
        cout << "resume thread run code ..." << endl;
        pthread_cond_signal(&cond);//唤醒在指定条件变量下等待的线程,不用指定线程,因为wait的时候线程已经在队列中排队了
        sleep(1);
    }

    for(int i = 0; i < TNUM; i++)
    {
        pthread_join(tids[i], nullptr);
        cout << "thread: " << tids[i] << "quit" << endl;
    }

    pthread_mutex_destroy(&mtx);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}

上面的代码创建了局部的锁和条件变量,创建了四个新线程,将线程名、回调的函数地址、锁和条件变量的地址都放进了一个类对象中;
在创建线程的函数中,每个线程都调用的是一个Entry入口函数,在Entry接口内调用自己的函数;
在线程执行的函数中,默认该线程执行的时候,wait代码被执行,当前线程会立即被阻塞;阻塞就是将当前进程放进一个队列中去等待,并且再等待条件满足后被唤醒;
当主线程执行到pthread_cond_signal函数时,会唤醒在指定条件变量下等待的线程;不用指定线程,因为wait的时候线程已经在队列中排队了;

运行结果:
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主线程在等待了5s后,开始调用新线程执行任务,并且新线程是按照一定的顺序被唤醒的;

如果使用pthread_cond_broadcast接口一次唤醒一批线程:

int main()
{
    pthread_mutex_t mtx;    //锁
    pthread_cond_t cond;    //条件变量
    pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);
    pthread_cond_init(&cond, nullptr);

    pthread_t tids[TNUM];
    func_t funcs[TNUM] = {func1, func2, func3, func4};
    for(int i = 0; i < TNUM; i++)
    {
        string name = "Thread ";
        name += to_string(i + 1);
        ThreadData* td = new ThreadData(name, funcs[i], &mtx, &cond);
        pthread_create(tids + i, nullptr, Entry, (void*)td);
    }

    sleep(5);//主线程sleep,新线程创建出来都在wait

    while(true)
    {
        cout << "resume thread run code ..." << endl;
        //pthread_cond_signal(&cond);//唤醒在指定条件变量下等待的线程,不用指定线程,因为wait的时候线程已经在队列中排队了
        pthread_cond_broadcast(&cond);//一次唤醒一批线程
        sleep(1);
    }

    for(int i = 0; i < TNUM; i++)
    {
        pthread_join(tids[i], nullptr);
        cout << "thread: " << tids[i] << "quit" << endl;
    }

    pthread_mutex_destroy(&mtx);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}

运行结果:
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等待队列中所有的线程被一次全部唤醒;

回调函数临界区加入加锁和解锁:
wait一定要在加锁和解锁之间进行;
加入了quit标志位,任务执行完后线程退出;
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#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

using namespace std;

#define TNUM 4//共四个线程
typedef void (*func_t) (const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond);//定义函数指针
volatile bool quit = false;//加入quit标志位

class ThreadData
{
public:
    ThreadData(const string& name, func_t func, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
        : _name(name)
        , _func(func)
        , _pmtx(pmtx)
        , _pcond(pcond)
    {}
public:
    string _name;//线程名
    func_t _func;//线程回调的函数
    pthread_mutex_t* _pmtx;//锁
    pthread_cond_t* _pcond;//条件变量
};

void func1(const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(!quit)//加入退出判断
    {
        //wait一定要在加锁和解锁之间进行
        pthread_mutex_lock(pmtx);
        //if(临界资源未就绪) 等待
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx);//默认该线程执行的时候,wait代码被执行,当前线程会立即被阻塞
                                        //阻塞就是将当前进程放进一个队列中去等待,并且再等待条件满足后被唤醒
        cout << name << "running -- 播放" << endl;
        pthread_mutex_unlock(pmtx);
    }
}

void func2(const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(!quit)
    {
        pthread_mutex_lock(pmtx);
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx);
        cout << name << "running -- 下载" << endl;
        pthread_mutex_unlock(pmtx);
    }
}

void func3(const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(!quit)
    {
        pthread_mutex_lock(pmtx);
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx);
        cout << name << "running -- 刷新" << endl;
        pthread_mutex_unlock(pmtx);
    }
}

void func4(const string &name, pthread_mutex_t* pmtx, pthread_cond_t* pcond)
{
    while(!quit)
    {
        pthread_mutex_lock(pmtx);
        pthread_cond_wait(pcond, pmtx);
        cout << name << "running -- 扫描" << endl;
        pthread_mutex_unlock(pmtx);
    }
}

//每一个线程都进入Entry接口,在entry接口内调用自己的函数
void* Entry(void* args)
{
    ThreadData* td = (ThreadData*)args;//td在每一个线程自己私有的栈空间中保存
    td->_func(td->_name, td->_pmtx, td->_pcond);//这是一个函数,调用完就返回这里
    delete td;//需要在td使用完后进行销毁
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_mutex_t mtx;    //锁
    pthread_cond_t cond;    //条件变量
    pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);
    pthread_cond_init(&cond, nullptr);

    pthread_t tids[TNUM];
    func_t funcs[TNUM] = {func1, func2, func3, func4};
    for(int i = 0; i < TNUM; i++)
    {
        string name = "Thread ";
        name += to_string(i + 1);
        ThreadData* td = new ThreadData(name, funcs[i], &mtx, &cond);
        pthread_create(tids + i, nullptr, Entry, (void*)td);
    }

    sleep(5);//主线程sleep,新线程创建出来都在wait

    int cnt = 10;
    while(cnt)
    {
        cout << "resume thread run code ..."  << cnt-- << endl;
        pthread_cond_signal(&cond);//唤醒在指定条件变量下等待的线程,不用指定线程,因为wait的时候线程已经在队列中排队了
        //pthread_cond_broadcast(&cond);//一次唤醒一批线程
        sleep(1);
    }

    cout << "control done" << endl;
    quit = true;
    pthread_cond_broadcast(&cond);//再唤醒一下线程,让其检测quit信号

    for(int i = 0; i < TNUM; i++)
    {
        pthread_join(tids[i], nullptr);
        cout << "thread: " << tids[i] << "quit" << endl;
    }

    pthread_mutex_destroy(&mtx);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}

运行结果:
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二、生产者消费者模型

1.概念

生产者消费者模型就是一种多线程运作的模型,就像超市一样,生产者生产了商品运送到超市售卖,而消费者从超市里购买商品;
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其中,生产者和消费者都是给线程进行了角色化,不同的线程执行不同的职能,超市则是一个数据的缓冲区,商品就是数据;

  • 3种关系:
    生产者和生产者:竞争、互斥的关系;
    消费者和消费者:竞争、互斥的关系;
    生产者和消费者:互斥和同步的关系;
  • 2种角色:
    生产者、消费者;
  • 一个交易场所:
    超市;

这个模型能够让生产者和消费者线程之间实现解耦,提高效率;
当生产者生产了商品,就能够给消费者同步信息,唤醒消费者线程;
当消费者消费之后,就能给生产者同步信息,唤醒生产者线程,继续生产;
可以让生产者和消费者线程互相同步;
在逻辑层面上解耦消费者和生产者,能够提高效率
重点是给线程赋予了角色;
需要消除生产中的状态,避免数据不一致;

  • 生产过程:
    生产者将商品生产出来放到仓库,消费者从仓库取走商品;
    生产和消费的过程不仅于此,生产者生产数据,消费者使用数据都需要花时间;

2.基于BlockingQueue的生产者消费者模型

  • BlockingQueue:阻塞队列
    当队列为空时,从队列获取元素的操作将会被阻塞,直到队列中被放入了元素;
    当队列满时,往队列里存放元素的操作也会被阻塞,直到有元素被从队列中取出;

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3.单生产者单消费者模型

BlockQueue.hpp:

#include <iostream>
#include <queue>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

const int gDefaultCap = 5;

template <class T>
class BlockQueue
{
private:
    bool isQueueEmpty()
    {
        return _bq.size() == 0;
    }

    bool isQueueFull()
    {
        return _bq.size() == _capacity;
    }

public:
    BlockQueue(int capacity = gDefaultCap)
        : _capacity(capacity)
    {
        pthread_mutex_init(&_mtx, nullptr);
        pthread_cond_init(&_Empty, nullptr);
        pthread_cond_init(&_Full, nullptr);
    }

    void push(const T &in) // 生产者放数据
    {
        pthread_mutex_lock(&_mtx);
        // 1.先检测当前的临界资源是否满足访问条件
        // pthread_cond_wait是在临界区中的,此时进程是持有锁的,如果去等待了,锁怎么办?
        // pthread_cond_wait第二个参数是一个锁,当此进程成功挂起后,传入的锁,会被自动释放
        // 当此进程被唤醒时,从哪里阻塞的,就从那里唤醒,被唤醒的时候,此进程还是在临界区内部的
        // 当被唤醒的时候,pthread_cond_wait会帮助此线程获取锁

        // pthread_cond_wait:只要是一个函数,就有可能调用失败,也有可能存在伪唤醒的情况
        // 因此条件变量的使用规范:使用while循环持续进行条件检测
        // 这样在访问临界资源时,就能100%确定资源是就绪的
        while (isQueueFull())
        {
            pthread_cond_wait(&_Full, &_mtx);
        }

        // 2.访问临界资源
        _bq.push(in);

        // 加入控制策略:当队列中数据量过半后,才唤醒消费者线程
        if (_bq.size() >= _capacity / 2)
        {
            pthread_cond_signal(&_Empty); // 生产者放了数据后,就唤起消费者线程,通知其消费
        }
        pthread_mutex_unlock(&_mtx);
        // 发信号在解锁之前和之后都是可以的
    }

    void pop(T *out)
    {
        pthread_mutex_lock(&_mtx);

        while (isQueueEmpty())
        {
            pthread_cond_wait(&_Empty, &_mtx);
        }
        *out = _bq.front();
        _bq.pop();
        pthread_mutex_unlock(&_mtx);
        pthread_cond_signal(&_Full); // 消费者取走数据后,就唤起生产者线程,通知其生产
    }

    ~BlockQueue()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mtx);
        pthread_cond_destroy(&_Empty);
        pthread_cond_destroy(&_Full);
    }

private:
    queue<T> _bq;          // 阻塞队列
    int _capacity;         // 容量上限
    pthread_mutex_t _mtx;  // 通过互斥锁保证队列安全
    pthread_cond_t _Empty; // 同来表示bq 是否为空的条件
    pthread_cond_t _Full;  // 同来表示bq 是否为满的条件
};
  • 生产者生产数据的流程:
    1.先检测当前的临界资源是否满足访问条件;
    2.访问临界资源;

  • pthread_cond_wait是在临界区中的,此时进程是持有锁的,如果去等待了,锁怎么办?
    pthread_cond_wait第二个参数是一个锁,当此进程成功挂起后,传入的锁,会被自动释放;

  • 当此进程被唤醒时,从哪里阻塞的,就从哪里唤醒,被唤醒的时候,此进程还是在临界区内部的;
    当被唤醒的时候,pthread_cond_wait会帮助此线程获取锁;

  • pthread_cond_wait:只要是一个函数,就有可能调用失败,也有可能存在伪唤醒的情况;
    因此条件变量的使用规范:使用while循环持续进行条件检测;
    这样在访问临界资源时,就能100%确定资源是就绪的;

ConPod.cc:

#include"BlockQueue.hpp"

using namespace std;

void* consumer(void* args)
{
    BlockQueue<int>* bqueue = (BlockQueue<int>*)args;
    while(true)
    {
        int a;
        bqueue->pop(&a);
        cout << "消费一个数据:" << a << endl;
        sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

void* productor(void* args)
{
    BlockQueue<int>* bqueue = (BlockQueue<int>*)args;
    int a = 1;
    while(true)
    {
        bqueue->push(a++);
        cout << "生产一个数据:" << a << endl;
    }

    return nullptr;
}


int main()
{
    BlockQueue<int>* bqueue = new BlockQueue<int>();

    pthread_t c, p;
    pthread_create(&c, nullptr, consumer, bqueue);
    pthread_create(&p, nullptr, productor, bqueue);

    pthread_join(c, nullptr);
    pthread_join(p, nullptr);

    delete bqueue;

    return 0;
}

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  • 注:效率高:在于利用缓冲区,提高了生产和消费线程的并发度;

4.多生产者多消费者模型

Task.hpp:

#pragma once

#include <iostream>
#include <functional>

typedef std::function<int(int, int)> func_t;

class Task
{

public:
    Task(){}
    Task(int x, int y, func_t func):x_(x), y_(y), func_(func)
    {}
    int operator ()()
    {
        return func_(x_, y_);
    }
public:
    int x_;
    int y_;
    func_t func_;
};

封装一个Task类,队列中存储这个类,类中能够调用回调函数;

BlockQueue.hpp:(同上)

ConPod.cc:

#include"BlockQueue.hpp"
#include"Task.hpp"
#include <ctime>
using namespace std;

int myAdd(int x, int y)
{
    return x + y;
}

void* consumer(void* args)
{
    BlockQueue<Task>* bqueue = (BlockQueue<Task>*)args;
    while(true)
    {
        //获取任务
        Task t;
        bqueue->pop(&t);
        //完成任务
        cout << pthread_self() << "consumer: " << t.x_ << "+" << t.y_ << "=" << t() <<  endl;
        sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

void* productor(void* args)
{
    BlockQueue<Task>* bqueue = (BlockQueue<Task>*)args;
    int a = 1;
    while(true)
    {
        //制作任务
        int x = rand() % 10 + 1;
        usleep(rand()%1000);
        int y = rand() % 5 + 1;
        Task t(x, y, myAdd);
        //生产任务
        bqueue->push(t);
        cout << pthread_self() << "productor: " << t.x_ << "+" << t.y_ << "=?" << endl;
        sleep(1);
    }

    return nullptr;
}


int main()
{
    srand((uint64_t)time(nullptr) ^ getpid());
    BlockQueue<Task>* bqueue = new BlockQueue<Task>();

    pthread_t c[2], p[2];
    pthread_create(c, nullptr, consumer, bqueue);
    pthread_create(c + 1, nullptr, consumer, bqueue);
    pthread_create(p, nullptr, consumer, bqueue);
    pthread_create(p + 1, nullptr, productor, bqueue);

    pthread_join(c[0], nullptr);
    pthread_join(c[1], nullptr);
    pthread_join(p[0], nullptr);
    pthread_join(p[1], nullptr);

    delete bqueue;

    return 0;
}

结果:
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  • 注:多生产和多消费模型中,生产者线程生产商品可以是并发的,但是向仓库中输送商品的行为是互斥的;
    同理,消费者线程获取商品的行为是互斥的,但是处理任务的行为可以是并发的;

5.锁的封装

lockGuard.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>

class Mutex
{
public:
    Mutex(pthread_mutex_t *mtx)
        : _pmtx(mtx)
    {
    }

    void lock()
    {
        pthread_mutex_lock(_pmtx);
    }

    void unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(_pmtx);
    }

    ~Mutex()
    {}

private:
    pthread_mutex_t *_pmtx;
};


class lockGuard
{
public:
    lockGuard(pthread_mutex_t *mtx)
        : _mtx(mtx)
    {
        _mtx.lock();
    }

    ~lockGuard()
    {
        _mtx.unlock();
    }
private:
    Mutex _mtx;
};
  • RAII风格的加锁方式:
    这里面的两个类成员中并没有真实的锁,只是传入锁的地址来进行对象的构造,进而在构造的时候就进行加锁操作,在对象析构的时候自动进行解锁;

BlockQueue.hpp:

#pragma once

#include <iostream>
#include <queue>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include"lockGuard.hpp"

using namespace std;

const int gDefaultCap = 5;

template <class T>
class BlockQueue
{
private:
    bool isQueueEmpty()
    {
        return _bq.size() == 0;
    }

    bool isQueueFull()
    {
        return _bq.size() == _capacity;
    }

public:
    BlockQueue(int capacity = gDefaultCap)
        : _capacity(capacity)
    {
        pthread_mutex_init(&_mtx, nullptr);
        pthread_cond_init(&_Empty, nullptr);
        pthread_cond_init(&_Full, nullptr);
    }

    void push(const T &in) // 生产者放数据
    {
        lockGuard lockguard(&_mtx);//自动调用构造函数,加锁

        while (isQueueFull())
        {
            pthread_cond_wait(&_Full, &_mtx);
        }
        
        _bq.push(in);

        if (_bq.size() >= _capacity / 2)
        {
            pthread_cond_signal(&_Empty);}
        //自动调用析构函数,解锁
    }

    void pop(T *out)
    {
        lockGuard lockguard(&_mtx);//自动调用构造函数,加锁

        while (isQueueEmpty())
        {
            pthread_cond_wait(&_Empty, &_mtx);
        }
        *out = _bq.front();
        _bq.pop();
        pthread_cond_signal(&_Full); 
        //自动调用析构函数,解锁
    }

    ~BlockQueue()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mtx);
        pthread_cond_destroy(&_Empty);
        pthread_cond_destroy(&_Full);
    }

private:
    queue<T> _bq;          // 阻塞队列
    int _capacity;         // 容量上限
    pthread_mutex_t _mtx;  // 通过互斥锁保证队列安全
    pthread_cond_t _Empty; // 同来表示bq 是否为空的条件
    pthread_cond_t _Full;  // 同来表示bq 是否为满的条件
};

构造lockGuard对象的时候,就已经加锁完成了;
析构的时候,自动解锁;

三、POSIX信号量

1.信号量的概念与使用

共享资源:任何一个时刻只有一个执行流在进行访问,共享资源是被当作整体使用的,执行流之间都是互斥的;
如果一个共享资源不被当做一个整体,而让不同的执行流访问不同的区域,就可以多执行流并发访问了,不同执行流只有在访问同一个区域的时候才需要进行互斥;
当前共享资源中还有多少份资源,特定的执行流使用可以是否可以得到一个共享资源,这些都可以通过信号量来实现;

  • 信号量的本质,就是一个计数器;
    访问临界资源的时候,必须先申请信号量资源(sem- -,预定资源,P操作),使用完毕信号量资源(sem++, 释放资源,V操作);

2.信号量的使用场景

(1)有共享资源;
(2)共享资源可以被局部性访问;
(3)需要对局部性资源的数量进行描述;

3.信号量接口

  • 信号量初始化:
    Linux知识点 -- Linux多线程(三),Linux,linux,运维,服务器
    参数:
    sem:信号量对象
    pshared:是否共享
    value:初始默认值(计数器的值)

  • 申请信号量(P操作)
    Linux知识点 -- Linux多线程(三),Linux,linux,运维,服务器
    wait是会默认阻塞一个进程,直到申请到信号量,将信号量–;

  • 释放信号量(V操作)
    Linux知识点 -- Linux多线程(三),Linux,linux,运维,服务器
    将信号量++;

4.基于环形队列的生产消费模型

  • 使用数组实现环形队列:
    Linux知识点 -- Linux多线程(三),Linux,linux,运维,服务器
    Linux知识点 -- Linux多线程(三),Linux,linux,运维,服务器
    (1)当下标走到数组尾部的时候,下一个下标是数组头部,为了实现这一点,每次下标变动时,下标值都需要 %= n;
    (2)环形队列的逻辑结构是环形的,物理结构是数组;
    (3)生产消费模型需要两个下标,一个生产者,一个消费者;
    (4)两个下标重合的时候,队列既有可能是空的,也有可能是满的;
    判空/判满的方法:1.计数器;2.专门浪费一个位置;
    (5)当生产者和消费者指向同一个位置时,线程之间具有互斥同步的关系;
    当生产者和消费者指向不同位置时,让他们并发执行;

    (6)生产者不能将消费者套圈;
    消费者不能超过生产者;
    队列为空,一定要先让生产者运行;
    队列为满,一定要先让消费者运行;
    (7)生产者最关心的是空间资源 -> spaceSem 剩余空间信号量,初值为N;
    消费者最关心的是数据资源 -> dataSem 剩余数据信号量,初值为0;
    (8)当生产者生产了一个数据后,空间资源被占用,但是数据资源多了一个;
    (9)生产者生产资源前,要先申请空间信号量(spaceSem - -),之后在特定位置生产资源,生产完成后,释放数据信号量(dataSem++);
    消费者消费资源前,要先申请数据信号量(dataSem - -),之后消费特定位置的资源,消费完成后,释放空间信号量(spaceSem++);

    (10)当生产线程申请信号量失败,证明空间已满,进程就会被挂起;

5.基于环形队列的生产消费模型实现

  • 多生产多消费模型的意义:
    并不是将任务或者数据放在交易场所或者取出就是生产和消费,生产数据或任务和拿到数据或任务之后的处理,才是生产和消费,这才是最耗时的;
    多生产多消费模型的意义在于能够并发处理任务;
    生产的本质:将私有的任务或数据,放到公共空间中;
    消费的本质:将公共空间中的任务或数据,拿到并私有;

sem.hpp
信号量的封装,初始化对象时,就调用构造进行信号量的初始化;
对象销毁时,就自动调用析构,销毁信号量 ;

#ifndef _SEM_HPP_
#define _SEM_HPP_

#include<iostream>
#include<semaphore.h>

class Sem
{
public:
    Sem(int val)
    {
        sem_init(&_sem, 0, val);
    }

    void p()
    {
        sem_wait(&_sem);
    }

    void v()
    {
        sem_post(&_sem);
    }

    ~Sem()
    {
        sem_destroy(&_sem);
    }
private:
    sem_t _sem;
};

#endif

ringQueue.hpp

  • 单生产者和单消费者在队列为空或为满的时候,需要进行信号量的申请,因此信号量自动就形成了两者的互斥关系,一定会有一方竞争失败;
  • 如果改成多生产多消费模型,就会有生产者之间和消费者之间的关系,因此需要两把锁,生产和消费各一把;
  • 多生产:当一个生产者线程访问一个下标时,加锁,其他线程来访问时就需要等待;
  • 加锁和申请信号量的先后:信号量一定是安全的,具有原子性,资源是要配发给线程的,资源配发的越快,运行效率越高,因此先申请信号量,再加锁,加锁区域的粒度越小越好;
#ifndef _RING_QUEUE_HPP_
#define _RING_QUEUE_HPP_

#include <iostream>
#include <vector>
#include <pthread.h>
#include <ctime>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>
#include "sem.hpp"

const int g_default_num = 5;

using namespace std;

template <class T>
class RingQueue
{
public:
    RingQueue(int default_num = g_default_num)
        : _ring_queue(default_num)
        , _num(default_num)
        , _c_step(0)
        , _p_step(0)
        , _space_sem(default_num)
        , _data_sem(0)
    {
        pthread_mutex_init(&_clock, nullptr);
        pthread_mutex_init(&_plock, nullptr);
    }

    ~RingQueue()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_clock);
        pthread_mutex_destroy(&_plock);
    }

    // 生产者:空间资源,生产者们的临界资源是下标
    // 加锁和申请信号量的先后:信号量一定是安全的,具有原子性,
    // 资源是要配发给线程的,资源配发的越快,运行效率越高,因此先申请信号量,再加锁
    // 加锁的粒度越小越好
    void push(const T &in)
    {
        // 先申请空间信号量
        _space_sem.p();
        // 多生产进程访问时,当一个生产者线程访问一个下标时,加锁,其他线程来访问时就需要等待
        pthread_mutex_lock(&_plock);
        // 成功竞争到锁的线程继续执行下面操作
        // 放入数据
        _ring_queue[_p_step++] = in;
        _p_step %= _num;
        // 生产完后,解锁
        pthread_mutex_unlock(&_plock);
        // 释放数据信号量
        _data_sem.v();
    }

    void pop(T *out)
    {
        _data_sem.p();
        pthread_mutex_lock(&_clock);
        *out = _ring_queue[_c_step++];
        _c_step %= _num;
        pthread_mutex_unlock(&_clock);
        _space_sem.v();
    }

private:
    vector<T> _ring_queue;
    int _num;
    int _c_step;            // 消费下标
    int _p_step;            // 生产下标
    Sem _space_sem;         // 空间信号量
    Sem _data_sem;          // 数据信号量
    pthread_mutex_t _clock; // 多消费者进程的锁
    pthread_mutex_t _plock; // 多生产者进程的锁
};

#endif

ConPod.cc

#include"ringQueue.hpp"

void* consumer(void* args)
{
    RingQueue<int>* rq = (RingQueue<int>*)args;
    while(true)
    {
        sleep(1);
        int x = 0;
        //从环形队列中获取任务或数据
        rq->pop(&x);
        //进行一定的处理
        cout << "消费:" << x << "[" << pthread_self() << "]" << endl;
    }
}

void* procudtor(void* args)
{
    RingQueue<int>* rq = (RingQueue<int>*)args;
    while(true)
    {
        //构建数据或任务对象
        int x = rand() % 100 + 1;
        //放入环形队列
        rq->push(x);
        cout << "生产:" << x << "[" << pthread_self() << "]" << endl;
    }
}


int main()
{
    srand((uint64_t)time(nullptr) ^ getpid());
    RingQueue<int>* rq = new RingQueue<int>();

    pthread_t c[3], p[2];

    pthread_create(c, nullptr, consumer, (void*)rq);
    pthread_create(c + 1, nullptr, consumer, (void*)rq);
    pthread_create(c + 2, nullptr, consumer, (void*)rq);
    
    pthread_create(p, nullptr, procudtor, (void*)rq);
    pthread_create(p + 1, nullptr, procudtor, (void*)rq);

    for(int i = 0; i < 3; i++)
    {
        pthread_join(c[i], nullptr);
    }

    for(int i = 0; i < 2; i++)
    {
        pthread_join(p[i], nullptr);
    }

    return 0;
}

运行结果:
Linux知识点 -- Linux多线程(三),Linux,linux,运维,服务器

6.信号量的意义

信号量的本质是一个计数器,它的意义在于可以不用进入临界区,就可以得知资源的情况,甚至可以减少临界区内部的判断;
申请锁和释放锁的过程,本质在于我们并不清楚临界资源的情况;
信号量要预设临界资源的情况,而且在pv变化过程中,我们在外部就能够知晓临界资源的情况;
文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-668755.html

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