【Linux | C++ 】生产者消费者模型（Linux系统下C++ 代码模拟实现）

引言

多线程编程中的同步问题是一个普遍存在的难点，为了解决这些问题，开发者们设计出了各种同步机制，如条件变量、信号量、互斥锁等。生产者消费者模型是一个经典案例，它涉及到两类线程：生产者和消费者。本文将介绍如何使用条件变量来实现生产者消费者模型，帮助读者更好地理解多线程编程中的同步机制和技术。

一、生产者消费者问题

生产者线程负责生产数据或物品，并将它们放入一个共享缓冲区中。而消费者线程负责从缓冲区中获取这些数据或物品，并进行相应的处理。在这个过程中，需要保证生产者和消费者之间的正确协作和数据安全，以避免数据竞争和不可预测的结果。

为了解决这个问题，我们需要使用同步机制来协调两种类型的线程之间的操作。最常见的同步机制包括条件变量、信号量、互斥锁等。这些机制可以保证线程之间的正确协作和数据安全，避免数据竞争和死锁等问题的发生。

在生产者消费者问题中，同步机制的主要作用是保证缓冲区的数据安全和正确性。当缓冲区已满时，生产者线程需要等待一段时间，直到缓冲区有足够的空间可以放置新数据；而当缓冲区为空时，消费者线程需要等待一段时间，直到缓冲区有新数据可以获取。这种等待和通知的机制可以使用条件变量来实现。

🍁将生产者消费者模型比喻为超市的顾客和供货商

当我们将生产者消费者模型比喻为超市的顾客和供货商时，可以清晰地理解这一概念。假设超市是一个缓冲区，顾客是消费者，供货商是生产者。供货商不断地向超市提供新货物（产品），而顾客则从超市购买这些货物。在这个过程中，超市需要保证货物的充足和有序销售，而且顾客和供货商之间的操作需要协调。
在这个例子中，生产者不断地往超市里补充货物，当超市库存已满时，供货商需要等待一段时间，直到有空间放入新货物。而消费者则不断地从超市购买货物，当超市库存为空时，顾客需要等待新货物的到来。

⭕通过这个例子，我们可以清晰地看到生产者消费者模型中的关键概念：生产者负责生产物品并放入缓冲区，消费者负责从缓冲区获取物品并进行消费，而缓冲区则需要合理地协调生产者和消费者之间的操作，以避免过度生产或过度消费的情况发生。这种协调工作正是多线程编程中同步机制的核心应用之一。

🚨注意：在使用条件变量等同步机制时，需要保证线程之间的正确协作，避免死锁和饥饿等问题的发生。同时，还需要考虑性能优化等问题，以提高程序的效率和响应速度。

二、C++ queue模拟阻塞队列的生产消费模型（伪代码）

以下是使用C++实现基于std::queue和std::mutex的生产者消费者模型的示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::queue<int> dataQueue;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;

void producer()
{
    for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500)); // 模拟生产数据的耗时操作

        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            dataQueue.push(i);
            std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
        }

        cv.notify_one(); // 通知消费者线程有新数据可用
    }
}

void consumer()
{
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);

        // 使用条件变量等待，直到有新数据可用
        cv.wait(lock, [] { return !dataQueue.empty(); });

        int num = dataQueue.front();
        dataQueue.pop();
        std::cout << "Consumed: " << num << std::endl;

        lock.unlock();

        if (num == 10) {
            break; // 结束消费者线程，当消费到数字10时退出
        }
    }
}

int main()
{
    std::thread producerThread(producer);
    std::thread consumerThread(consumer);

    producerThread.join();
    consumerThread.join();

    return 0;
}

在这个示例中，生产者线程将数字从1到10放入std::queue中，而消费者线程从std::queue中取出这些数字进行消费。通过使用std::mutex和std::condition_variable，我们实现了线程之间的同步和通信。

生产者线程使用std::lock_guard<std::mutex>锁住互斥量，并将数据放入队列后通知消费者线程。消费者线程在等待条件变量时会解锁互斥量，以允许其他线程访问数据队列。当有新数据可用时，消费者线程被唤醒，并继续处理数据。

三、RAII风格的加锁方式

1. 简介

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）是一种C++编程风格，通过在对象的构造函数中获取资源，在析构函数中释放资源，从而实现资源的自动管理。在多线程编程中，RAII可以用于实现加锁和解锁的自动管理，确保锁的正确释放，避免忘记手动解锁而导致的死锁或资源泄漏。

2. 示例

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

class LockGuard {
public:
    explicit LockGuard(std::mutex& mtx) : mutex(mtx) {
        mutex.lock();
    }

    ~LockGuard() {
        mutex.unlock();
    }

private:
    std::mutex& mutex;
};

std::mutex mtx;

void someFunction() {
    LockGuard lock(mtx); // 在作用域中创建LockGuard对象，自动加锁

    // 执行需要加锁保护的操作
    std::cout << "Critical section" << std::endl;

    // 当LockGuard对象离开作用域时，会自动调用析构函数解锁
}

int main() {
    std::thread thread1(someFunction);
    std::thread thread2(someFunction);

    thread1.join();
    thread2.join();

    return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个名为LockGuard的RAII类，它在构造函数中获取一个std::mutex的引用，并在析构函数中调用unlock()来解锁互斥量。在someFunction()中，我们通过创建LockGuard对象来实现加锁和解锁操作。当LockGuard对象离开作用域时，其析构函数会自动被调用，从而释放互斥量。

通过使用RAII风格的加锁方式，我们可以确保在进入临界区之前加锁，在离开临界区之后自动解锁，避免了手动控制加锁和解锁操作可能带来的错误。同时，由于RAII对象的生命周期与作用域相对应，因此可以确保在任何情况下都会正确释放资源，即使在函数发生异常或提前返回时也不例外。这种方式简化了代码，提高了程序的可靠性和可读性。

四、基于Linux操作系统使用C++代码，采用RAII风格的加锁方式模拟“生产者消费者模型”

⭕Makefile文件

cp:ConProd.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
	rm -f cp

⭕ . h 头文件

✅lockGuard.h

#pragma once

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

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

    // 加锁操作
    void lock() 
    {
        std::cout << "要进行加锁" << std::endl;
        pthread_mutex_lock(pmtx_);
    }

    // 解锁操作
    void unlock()
    {
        std::cout << "要进行解锁" << std::endl;
        pthread_mutex_unlock(pmtx_);
    }

    ~Mutex()
    {}
private:
    pthread_mutex_t *pmtx_; // 互斥锁指针
};

// RAII风格的加锁方式
class lockGuard
{
public:
    lockGuard(pthread_mutex_t *mtx):mtx_(mtx)
    {
        mtx_.lock(); // 构造时进行加锁操作
    }

    ~lockGuard()
    {
        mtx_.unlock(); // 析构时进行解锁操作
    }

private:
    Mutex mtx_; // 互斥锁对象
};

✅BlockQueue.h

#pragma once

#include <iostream>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <pthread.h>
#include "lockGuard.h"
const int gDefaultCap = 5; // 队列默认容量

template <class T>
class BlockQueue
{
private:
    bool isQueueEmpty() // 判断队列是否为空
    {
        return bq_.size() == 0;
    }
    bool isQueueFull() // 判断队列是否已满
    {
        return bq_.size() == capacity_;
    }

public:
    BlockQueue(int capacity = gDefaultCap) : capacity_(capacity)
    {
        // 初始化互斥锁和条件变量
        pthread_mutex_init(&mtx_, nullptr);
        pthread_cond_init(&Empty_, nullptr);
        pthread_cond_init(&Full_, nullptr);
    }

    void push(const T &in) // 生产者线程调用此函数向队列中添加元素
    {
        lockGuard lockgrard(&mtx_); // 自动调用构造函数，对互斥锁进行加锁

        while (isQueueFull()) // 如果队列已满，则阻塞当前线程，等待队列有空闲位置
            pthread_cond_wait(&Full_, &mtx_);

        bq_.push(in); // 将元素添加到队列尾部
        pthread_cond_signal(&Empty_); // 对等待在 Empty_ 上的线程发送信号，表示队列非空
    }

    void pop(T *out) // 消费者线程调用此函数从队列中取出元素
    {
        lockGuard lockguard(&mtx_); // 自动调用构造函数，对互斥锁进行加锁

        while (isQueueEmpty()) // 如果队列为空，则阻塞当前线程，等待队列有元素
            pthread_cond_wait(&Empty_, &mtx_);

        *out = bq_.front(); // 取出队头元素
        bq_.pop(); // 将元素从队列中删除
        pthread_cond_signal(&Full_); // 对等待在 Full_ 上的线程发送信号，表示队列未满
    }

    ~BlockQueue()
    {
        // 销毁互斥锁和条件变量
        pthread_mutex_destroy(&mtx_);
        pthread_cond_destroy(&Empty_);
        pthread_cond_destroy(&Full_);
    }

private:
    std::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_; // 用它来表示队列是否空的条件
    pthread_cond_t Full_;  // 用它来表示队列是否满的条件
};

✅Task.h

#pragma once

#include <iostream>
#include <functional>

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

class Task
{
public:
    // 默认构造函数
    Task() {}

    // 构造函数，初始化任务的参数和可调用对象
    Task(int x, int y, func_t func) : x_(x), y_(y), func_(func) {}

    // 重载函数调用运算符，用于执行任务
    int operator()()
    {
        return func_(x_, y_);
    }

public:
    int x_;         // 任务的参数 x
    int y_;         // 任务的参数 y
    func_t func_;   // 可调用对象，接受两个整数并返回一个整数
};

⭕ . cpp 文件

✅ConProd.cpp

#include "BlockQueue.h"
#include "Task.h"

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>

// 定义一个加法函数，用于任务的处理
int myAdd(int x, int y)
{
    return x + y;
}

// 消费者线程函数，从阻塞队列中获取任务并完成任务
void* consumer(void *args)
{
    // 将参数转化为阻塞队列的指针
    BlockQueue<Task> *bqueue = (BlockQueue<Task> *)args;

    while(true)
    {
        // 获取任务
        Task t;
        bqueue->pop(&t);

        // 完成任务，并输出结果
        std::cout << pthread_self() <<" consumer: "<< t.x_ << "+" << t.y_ << "=" << t() << std::endl;
    }

    return nullptr;
}

// 生产者线程函数，制作任务并将任务加入阻塞队列
void* productor(void *args)
{
    // 将参数转化为阻塞队列的指针
    BlockQueue<Task> *bqueue = (BlockQueue<Task> *)args;

    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，并输出提示信息
        bqueue->push(t);
        std::cout <<pthread_self() <<" productor: "<< t.x_ << "+" << t.y_ << "=?" << std::endl;

        // 限制生产者的速度，以便观察阻塞队列的功能
        sleep(1);
    }

    return nullptr;
}

int main()
{
    // 随机数种子初始化
    srand((uint64_t)time(nullptr) ^ getpid() ^ 0x32457);

    // 创建一个阻塞队列
    BlockQueue<Task> *bqueue = new BlockQueue<Task>();

    // 创建两个消费者线程和两个生产者线程
    pthread_t c[2],p[2];
    pthread_create(c, nullptr, consumer, bqueue);
    pthread_create(c + 1, nullptr, consumer, bqueue);
    pthread_create(p, nullptr, productor, bqueue);
    pthread_create(p + 1, nullptr, productor, bqueue);

    // 等待所有线程结束
    pthread_join(c[0], nullptr);
    pthread_join(c[1], nullptr);
    pthread_join(p[0], nullptr);
    pthread_join(p[1], nullptr);

    // 释放阻塞队列内存
    delete bqueue;

    return 0;
}

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