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C++实现生产者和消费者模型

2023-10-26

C++实现生产者和消费者模型

1、实现细节

  • 具体的实现逻辑是构建一个queue来存储生产的数据，queue不满时可以生产，不空时可以消费。
  • 对于这个队列，采用阻塞队列的实现思路。
  • 先实现构造函数，初始化一个unique_lock供condition_variable使用。
    • 如何在类里面使用unique_lock等需要初始化，并且初始化会加锁的对象。这要研究下。我的理解是构造列表初始化，然后函数体里unlock。
    • 对于条件变量，申请两个，分别控制consumer和producer。
  • 然后就是入和出队列的细节。
    • 首先加锁。
    • 循环判断一下目前的队列情况，对于各自的特殊情况（队满和队空）进行处理。
    • 唤醒一个线程来处理特殊情况。
    • 等待处理完毕。
    • 处理入和出队列操作。
    • 最后释放锁。

2、单生产者-单消费者模型

  • 单生产者-单消费者模型中只有一个生产者和一个消费者，
  • 生产者不停地往产品库中放入产品，
  • 消费者则从产品库中取走产品，
  • 产品库容积有限制，只能容纳一定数目的产品，
  • 如果生产者生产产品的速度过快，则需要等待消费者取走产品之后，产品库不为空才能继续往产品库中放置新的产品，
  • 相反，如果消费者取走产品的速度过快，则可能面临产品库中没有产品可使用的情况，此时需要等待生产者放入一个产品后，消费者才能继续工作。

C++11实现单生产者单消费者模型的代码如下：

#include <unistd.h>

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

static const int bufSize = 10; // Item buffer size.
static const int ProNum = 20;   // How many items we plan to produce.

struct resource {
	int buf[bufSize]; // 产品缓冲区, 配合 read_pos 和 write_pos 模型环形队列.
	size_t read_pos; // 消费者读取产品位置.
	size_t write_pos; // 生产者写入产品位置.
	std::mutex mtx; // 互斥量,保护产品缓冲区
	std::condition_variable not_full; // 条件变量, 指示产品缓冲区不为满.
	std::condition_variable not_empty; // 条件变量, 指示产品缓冲区不为空.
} instance; // 产品库全局变量, 生产者和消费者操作该变量.

typedef struct resource resource;


void Producer(resource *ir, int item)
{
	std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
	while (((ir->write_pos + 1) % bufSize)
		== ir->read_pos) { // item buffer is full, just wait here.
		std::cout << "Producer is waiting for an empty slot...\n";
		(ir->not_full).wait(lock); // 生产者等待"产品库缓冲区不为满"这一条件发生.
	}

	(ir->buf)[ir->write_pos] = item; // 写入产品.
	(ir->write_pos)++; // 写入位置后移.

	if (ir->write_pos == bufSize) // 写入位置若是在队列最后则重新设置为初始位置.
		ir->write_pos = 0;

	(ir->not_empty).notify_all(); // 通知消费者产品库不为空.
}

int Consumer(resource *ir)
{
	int data;
	std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
	// item buffer is empty, just wait here.
	while (ir->write_pos == ir->read_pos) {
		std::cout << "Consumer is waiting for items...\n";
		(ir->not_empty).wait(lock); // 消费者等待"产品库缓冲区不为空"这一条件发生.
	}

	data = (ir->buf)[ir->read_pos]; // 读取某一产品
	(ir->read_pos)++; // 读取位置后移

	if (ir->read_pos >= bufSize) // 读取位置若移到最后，则重新置位.
		ir->read_pos = 0;

	(ir->not_full).notify_all(); // 通知消费者产品库不为满.

	return data; // 返回产品.
}


void ProducerTask() // 生产者任务
{
	for (int i = 1; i <= ProNum; ++i) {
		// sleep(1);
		std::cout << "Produce the " << i << "^th item..." << std::endl;
		Producer(&instance, i); // 循环生产 ProNum 个产品.
	}
}

void ConsumerTask() // 消费者任务
{
	static int cnt = 0;
	while (1) {
		sleep(1);
		int item = Consumer(&instance); // 消费一个产品.
		std::cout << "Consume the " << item << "^th item" << std::endl;
		if (++cnt == ProNum) break; // 如果产品消费个数为 ProNum, 则退出.
	}
}

void Initresource(resource *ir)
{
	ir->write_pos = 0; // 初始化产品写入位置.
	ir->read_pos = 0; // 初始化产品读取位置.
}

int main()
{
	Initresource(&instance);
	std::thread producer(ProducerTask); // 创建生产者线程.
	std::thread consumer(ConsumerTask); // 创建消费之线程.
	producer.join();
	consumer.join();
}

在这里插入图片描述

3、单生产者-多消费者模型

与单生产者和单消费者模型不同的是，单生产者-多消费者模型中可以允许多个消费者同时从产品库中取走产品。所以除了保护产品库在多个读写线程下互斥之外，还需要维护消费者取走产品的计数器，代码如下:

#include <unistd.h>

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

static const int bufSize = 8; // Item buffer size.
static const int ProNum = 30;   // How many items we plan to produce.

struct resource {
	int buf[bufSize]; // 产品缓冲区, 配合 read_pos 和 write_pos 模型环形队列.
	size_t read_pos; // 消费者读取产品位置.
	size_t write_pos; // 生产者写入产品位置.
	size_t item_counter;
	std::mutex mtx; // 互斥量,保护产品缓冲区
	std::mutex item_counter_mtx;
	std::condition_variable not_full; // 条件变量, 指示产品缓冲区不为满.
	std::condition_variable not_empty; // 条件变量, 指示产品缓冲区不为空.
} instance; // 产品库全局变量, 生产者和消费者操作该变量.

typedef struct resource resource;


void Producer(resource *ir, int item)
{
	std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
	while (((ir->write_pos + 1) % bufSize)
		== ir->read_pos) { // item buffer is full, just wait here.
		std::cout << "Producer is waiting for an empty slot...\n";
		(ir->not_full).wait(lock); // 生产者等待"产品库缓冲区不为满"这一条件发生.
	}

	(ir->buf)[ir->write_pos] = item; // 写入产品.
	(ir->write_pos)++; // 写入位置后移.

	if (ir->write_pos == bufSize) // 写入位置若是在队列最后则重新设置为初始位置.
		ir->write_pos = 0;

	(ir->not_empty).notify_all(); // 通知消费者产品库不为空.
	lock.unlock(); // 解锁.
}

int Consumer(resource *ir)
{
	int data;
	std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
	// item buffer is empty, just wait here.
	while (ir->write_pos == ir->read_pos) {
		std::cout << "Consumer is waiting for items...\n";
		(ir->not_empty).wait(lock); // 消费者等待"产品库缓冲区不为空"这一条件发生.
	}

	data = (ir->buf)[ir->read_pos]; // 读取某一产品
	(ir->read_pos)++; // 读取位置后移

	if (ir->read_pos >= bufSize) // 读取位置若移到最后，则重新置位.
		ir->read_pos = 0;

	(ir->not_full).notify_all(); // 通知消费者产品库不为满.
	lock.unlock(); // 解锁.

	return data; // 返回产品.
}


void ProducerTask() // 生产者任务
{
	for (int i = 1; i <= ProNum; ++i) {
		// sleep(1);
		std::cout << "Producer thread " << std::this_thread::get_id()
			<< " producing the " << i << "^th item..." << std::endl;
		Producer(&instance, i); // 循环生产 ProNum 个产品.
	}
	std::cout << "Producer thread " << std::this_thread::get_id()
		<< " is exiting..." << std::endl;
}

void ConsumerTask() // 消费者任务
{
	bool ready_to_exit = false;
	while (1) {
		sleep(1);
		std::unique_lock<std::mutex> lock(instance.item_counter_mtx);
		if (instance.item_counter < ProNum) {
			int item = Consumer(&instance);
			++(instance.item_counter);
			std::cout << "Consumer thread " << std::this_thread::get_id()
				<< " is consuming the " << item << "^th item" << std::endl;
		}
		else
			ready_to_exit = true;
		if (ready_to_exit == true)
			break;
	}
	std::cout << "Consumer thread " << std::this_thread::get_id()
		<< " is exiting..." << std::endl;
}

void Initresource(resource *ir)
{
	ir->write_pos = 0; // 初始化产品写入位置.
	ir->read_pos = 0; // 初始化产品读取位置.
	ir->item_counter = 0;
}

int main()
{
	Initresource(&instance);
	std::thread producer(ProducerTask);
	std::thread consumer1(ConsumerTask);
	std::thread consumer2(ConsumerTask);
	std::thread consumer3(ConsumerTask);
	std::thread consumer4(ConsumerTask);

	producer.join();
	consumer1.join();
	consumer2.join();
	consumer3.join();
	consumer4.join();
}

在这里插入图片描述

4、多生产者-单消费者模型

与单生产者和单消费者模型不同的是，多生产者-单消费者模型中可以允许多个生产者同时向产品库中放入产品。所以除了保护产品库在多个读写线程下互斥之外，还需要维护生产者放入产品的计数器，代码如下:

#include <unistd.h>

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

static const int bufSize = 8; // Item buffer size.
static const int ProNum = 20;   // How many items we plan to produce.

struct resource {
	int buf[bufSize]; // 产品缓冲区, 配合 read_pos 和 write_pos 模型环形队列.
	size_t read_pos; // 消费者读取产品位置.
	size_t write_pos; // 生产者写入产品位置.
	size_t item_counter;
	std::mutex mtx; // 互斥量,保护产品缓冲区
	std::mutex item_counter_mtx;
	std::condition_variable not_full; // 条件变量, 指示产品缓冲区不为满.
	std::condition_variable not_empty; // 条件变量, 指示产品缓冲区不为空.
} instance; // 产品库全局变量, 生产者和消费者操作该变量.

typedef struct resource resource;


void Producer(resource *ir, int item)
{
	std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
	while (((ir->write_pos + 1) % bufSize)
		== ir->read_pos) { // item buffer is full, just wait here.
		std::cout << "Producer is waiting for an empty slot...\n";
		(ir->not_full).wait(lock); // 生产者等待"产品库缓冲区不为满"这一条件发生.
	}

	(ir->buf)[ir->write_pos] = item; // 写入产品.
	(ir->write_pos)++; // 写入位置后移.

	if (ir->write_pos == bufSize) // 写入位置若是在队列最后则重新设置为初始位置.
		ir->write_pos = 0;

	(ir->not_empty).notify_all(); // 通知消费者产品库不为空.
}

int Consumer(resource *ir)
{
	int data;
	std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
	// item buffer is empty, just wait here.
	while (ir->write_pos == ir->read_pos) {
		std::cout << "Consumer is waiting for items...\n";
		(ir->not_empty).wait(lock); // 消费者等待"产品库缓冲区不为空"这一条件发生.
	}

	data = (ir->buf)[ir->read_pos]; // 读取某一产品
	(ir->read_pos)++; // 读取位置后移

	if (ir->read_pos >= bufSize) // 读取位置若移到最后，则重新置位.
		ir->read_pos = 0;

	(ir->not_full).notify_all(); // 通知消费者产品库不为满.

	return data; // 返回产品.
}


void ProducerTask() // 生产者任务
{
	bool ready_to_exit = false;
	while (1) {
		sleep(1);
		std::unique_lock<std::mutex> lock(instance.item_counter_mtx);
		if (instance.item_counter < ProNum) {
			++(instance.item_counter);
			Producer(&instance, instance.item_counter);
			std::cout << "Producer thread " << std::this_thread::get_id()
				<< " is producing the " << instance.item_counter
				<< "^th item" << std::endl;
		}
		else 
			ready_to_exit = true;
		if (ready_to_exit == true) 
			break;
	}
	std::cout << "Producer thread " << std::this_thread::get_id()
		<< " is exiting..." << std::endl;
}

void ConsumerTask() // 消费者任务
{
	static int cnt = 0;
	while (1) {
		sleep(1);
		cnt++;
		if (cnt <= ProNum)
		{
			int item = Consumer(&instance); // 消费一个产品.
			std::cout << "Consumer thread " << std::this_thread::get_id()
				<< " is consuming the " << item << "^th item" << std::endl;
		}
		
		else
			break; // 如果产品消费个数为 ProNum, 则退出.
	}
	std::cout << "Consumer thread " << std::this_thread::get_id()
		<< " is exiting..." << std::endl;
}

void Initresource(resource *ir)
{
	ir->write_pos = 0; // 初始化产品写入位置.
	ir->read_pos = 0; // 初始化产品读取位置.
	ir->item_counter = 0;
}

int main()
{
	Initresource(&instance);
	std::thread producer1(ProducerTask);
	std::thread producer2(ProducerTask);
	std::thread producer3(ProducerTask);
	std::thread producer4(ProducerTask);
	std::thread consumer(ConsumerTask);

	producer1.join();
	producer2.join();
	producer3.join();
	producer4.join();
	consumer.join();
}

在这里插入图片描述

5、多生产者-多消费者模型

该模型可以说是前面两种模型的综合，程序需要维护两个计数器，分别是生产者已生产产品的数目和消费者已取走产品的数目。另外也需要保护产品库在多个生产者和多个消费者互斥地访问。

#include <unistd.h>

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

static const int bufSize = 8; // Item buffer size.
static const int ProNum = 20;   // How many items we plan to produce.

struct resource {
	int buf[bufSize]; // 产品缓冲区, 配合 read_pos 和 write_pos 模型环形队列.
	size_t read_pos; // 消费者读取产品位置.
	size_t write_pos; // 生产者写入产品位置.
	size_t pro_item_counter;
	size_t con_item_counter;
	std::mutex mtx; // 互斥量,保护产品缓冲区
	std::mutex pro_mtx;
	std::mutex con_mtx;
	std::condition_variable not_full; // 条件变量, 指示产品缓冲区不为满.
	std::condition_variable not_empty; // 条件变量, 指示产品缓冲区不为空.
} instance; // 产品库全局变量, 生产者和消费者操作该变量.

typedef struct resource resource;


void Producer(resource *ir, int item)
{
	std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
	while (((ir->write_pos + 1) % bufSize)
		== ir->read_pos) { // item buffer is full, just wait here.
		std::cout << "Producer is waiting for an empty slot...\n";
		(ir->not_full).wait(lock); // 生产者等待"产品库缓冲区不为满"这一条件发生.
	}

	(ir->buf)[ir->write_pos] = item; // 写入产品.
	(ir->write_pos)++; // 写入位置后移.

	if (ir->write_pos == bufSize) // 写入位置若是在队列最后则重新设置为初始位置.
		ir->write_pos = 0;

	(ir->not_empty).notify_all(); // 通知消费者产品库不为空.
}

int Consumer(resource *ir)
{
	int data;
	std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
	// item buffer is empty, just wait here.
	while (ir->write_pos == ir->read_pos) {
		std::cout << "Consumer is waiting for items...\n";
		(ir->not_empty).wait(lock); // 消费者等待"产品库缓冲区不为空"这一条件发生.
	}

	data = (ir->buf)[ir->read_pos]; // 读取某一产品
	(ir->read_pos)++; // 读取位置后移

	if (ir->read_pos >= bufSize) // 读取位置若移到最后，则重新置位.
		ir->read_pos = 0;

	(ir->not_full).notify_all(); // 通知消费者产品库不为满.

	return data; // 返回产品.
}


void ProducerTask() // 生产者任务
{
	bool ready_to_exit = false;
	while (1) {
		sleep(1);
		std::unique_lock<std::mutex> lock(instance.pro_mtx);
		if (instance.pro_item_counter < ProNum) {
			++(instance.pro_item_counter);
			Producer(&instance, instance.pro_item_counter);
			std::cout << "Producer thread " << std::this_thread::get_id()
				<< " is producing the " << instance.pro_item_counter
				<< "^th item" << std::endl;
		}
		else 
			ready_to_exit = true;
		lock.unlock();
		if (ready_to_exit == true) 
			break;
	}
	std::cout << "Producer thread " << std::this_thread::get_id()
		<< " is exiting..." << std::endl;
}

void ConsumerTask() // 消费者任务
{
	bool ready_to_exit = false;
	while (1) {
		sleep(1);
		std::unique_lock<std::mutex> lock(instance.con_mtx);
		if (instance.con_item_counter < ProNum) {
			int item = Consumer(&instance);
			++(instance.con_item_counter);
			std::cout << "Consumer thread " << std::this_thread::get_id()
				<< " is consuming the " << item << "^th item" << std::endl;
		}
		else
			ready_to_exit = true;
		lock.unlock();
		if (ready_to_exit == true)
			break;
	}
	std::cout << "Consumer thread " << std::this_thread::get_id()
		<< " is exiting..." << std::endl;
}

void Initresource(resource *ir)
{
	ir->write_pos = 0; // 初始化产品写入位置.
	ir->read_pos = 0; // 初始化产品读取位置.
	ir->pro_item_counter = 0;
	ir->con_item_counter = 0;
}

int main()
{
	Initresource(&instance);
	std::thread producer1(ProducerTask);
	std::thread producer2(ProducerTask);
	std::thread producer3(ProducerTask);
	std::thread producer4(ProducerTask);

	std::thread consumer1(ConsumerTask);
	std::thread consumer2(ConsumerTask);
	std::thread consumer3(ConsumerTask);
	std::thread consumer4(ConsumerTask);

	producer1.join();
	producer2.join();
	producer3.join();
	producer4.join();

	consumer1.join();
	consumer2.join();
	consumer3.join();
	consumer4.join();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

参考

1、https://www.cnblogs.com/haippy/p/3252092.html
2、https://blog.csdn.net/qq_41681241/article/details/86708303
3、https://blog.csdn.net/h_wulingfei/article/details/104897449

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c

数据结构

生产者和消费者

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