【多线程】六、基于阻塞队列的生产者消费者模型

Ⅰ. 生产者消费者模型的概念

​ 生产者消费者模型是一种常见的并发模式，用于解决生产者和消费者之间的协作问题。它是通过一个容器来 解决生产者和消费者的强耦合问题。

​ 生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而 通过阻塞队列来进行通讯，所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，而不用去关心消费者是否要取的问题；消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队列里取，而不关心生产者是否在生产的问题。

​ 所以 阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力，这个 阻塞队列就是用来给生产者和消费者解耦的！

​ 但是因为生产者和消费者是异步的，所以必须使用同步机制来保证它们之间的正确协作，避免数据竞争和死锁等问题。

​ 举个例子，生产者就是工厂，消费者就是我们日常消费的人，一般来说，我们是不会直接去工厂买东西的，而是到超市去买，超市就相对于是一个缓冲区，我们每次买东西的时候都会去超市买，超市一般都会储备比较多的货，所以消费者一般不需要去关心是否有货的问题；而工厂每次生产完货之后就像超市投放，并且可以等到超市缺货的时候再去生产，就有了一段空白时间可以干其它的事情，并且也不需要去关心是否有人去消费的问题，起到了相互解耦的作用！

Ⅱ. 生产者消费者模型的优点

1. 解耦合：生产者和消费者之间的通信是通过缓冲区进行的，彼此之间无需直接通信，从而实现了解耦合，提高了系统的可维护性和可扩展性。
2. 提高效率：生产者可以一次性生产多个产品，然后将它们批量存储在缓冲区中，消费者可以一次性消费多个产品，这样可以大大提高生产和消费的效率。
3. 减少资源浪费：如果没有缓冲区，生产者必须阻塞等待消费者消费产品后才能生产下一个产品，而消费者也必须阻塞等待生产者生产产品后才能消费产品，这样会浪费大量的资源，降低了系统的效率。
4. 支持并发：生产者消费者模型是多线程编程中的经典案例，可以帮助程序员更好地理解和掌握多线程编程的技巧和方法。
   

Ⅲ. 基于阻塞队列的生产者消费者模型

​ 基于 阻塞队列（Blocking Queue） 的生产者消费者模型是一种常见的实现方式，其与普通的队列区别在于：（以下的操作都是基于不同的线程来说的，线程在对阻塞队列进程操作时会被阻塞）

• 队列为空，从阻塞队列获取元素的操作将会被阻塞，直到阻塞队列中被放入了资源。
• 队列为满，往阻塞队列里存放元素的操作也会被阻塞，直到阻塞队列中有空闲位置。

​ 下面我们写一个程序，实现功能：一个就是我们的生产者可以通过第一个阻塞队列向队列中放入任务（可以自定义），然后消费者向队列中拿任务并且执行。除此之外，当消费者向第一个队列中拿出任务并且得到结果的时候，同时向第二个阻塞队列中放入该执行结果，充当第二个阻塞队列中的生产者。而第二个阻塞队列中的消费者则拿到这个生产的任务，实现将其生产者的执行结果写入文本文件中，达到存储的目的！

​ 下面的程序中我们主要以四则运算为执行任务来测试：

Makefile

mythread : test.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread.PHONY : clean
clean:rm -f mythread log.txt

Block_queue.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <queue>
#include <pthread.h>static const int MAXCAP = 500;// 阻塞队列
template <class T>
class BlockQueue
{
public:BlockQueue(const int& maxcap = MAXCAP):_maxcap(maxcap){pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);pthread_cond_init(&_pcond, nullptr);pthread_cond_init(&_ccond, nullptr);}// 生产操作void put(const T& in) // 输入型参数：const&{pthread_mutex_lock(&_mutex);// 这里必须使用while，而不能是ifwhile(is_full()) // 若队列为满则不能放数据{pthread_cond_wait(&_pcond, &_mutex);}// 走到这说明队列不为满，可以放资源_bq.push(in);pthread_cond_signal(&_ccond); // 唤醒消费者线程pthread_mutex_unlock(&_mutex);}// 消费操作void take(T* out) // 输出型参数：*   // 输入输出型参数：&{pthread_mutex_lock(&_mutex);// 这里必须使用while，而不能是ifwhile(is_empty()) // 若队列为空不能取资源{