Linux：基于环形队列的生产者消费模型

---

一、POSIX 信号量简介

POSIX 信号量和 System V 信号量的作用相同，都是用于多线程或多进程间的同步，保证多个线程访问共享资源时不会发生冲突。不同的是，POSIX 信号量除了可以支持进程间同步，还可以直接用于线程间同步，因此在多线程编程中更加常见。

当然这个信号量的操作本身就是原子的。

常见的 API 如下：

#include <semaphore.h>// 初始化信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);// 销毁信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);// 等待信号量（P 操作）
int sem_wait(sem_t *sem);// 释放信号量（V 操作）
int sem_post(sem_t *sem);

参数说明：

• pshared = 0 表示线程间共享，非零表示进程间共享
• value 表示信号量初始值

---

二、POSIX 信号量的操作

1. 初始化与销毁

使用 sem_init() 初始化信号量时，需要指定初始值和是否进程间共享；使用 sem_destroy() 在使用完成后释放资源。

2. 等待操作（P）

调用 sem_wait() 会尝试将信号量的值减一，如果值为 0，则调用线程会被阻塞直到信号量大于 0。

3. 释放操作（V）

调用 sem_post() 会将信号量的值加一，并唤醒可能正在等待的线程，表示某个资源已经被释放。

---

三、基于环形队列的生产者消费者模型

在上一节我们介绍了基于 queue 的实现，它可以动态扩展容量。但在实际应用中，常常使用固定大小的缓冲区（如数组）实现一个环形队列。

1. 环形队列原理

环形队列通过数组实现，利用模运算来模拟“首尾相接”的特性。

• 环形队列在初始状态和结束状态可能相同，因此需要借助计数器或标记位来区分队列满和队列空。
• 也可以预留一个空位来表示“满”的状态。
• 在有了信号量后，计数的功能可以交由信号量完成，代码实现会更加简洁。
  
  

---

四、信号量的简单封装

在使用原始 sem_t 时，常需要重复调用初始化、等待和释放操作。为方便使用，我们可以对信号量做一个轻量级封装：

#include <iostream>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>namespace SemModule
{const int defaultvalue = 1;class Sem{public:Sem(unsigned int sem_value = defaultvalue){sem_init(&_sem, 0, sem_value);}~Sem(){sem_destroy(&_sem);}void P()       // 放出资源 p 相当于资源库--{sem_wait(&_sem); // 原子的}void V()       // 回收资源 v 相当于资源库++{sem_post(&_sem);  // 原子的}private:sem_t _sem;};}

这个类提供了 P() 和 V() 方法，分别对应 sem_wait 和 sem_post，大大简化了信号量的调用。

---

五、基于 POSIX 信号量的环形队列实现

下面是一个环形队列 RingQueue 的实现，支持多生产者、多消费者。它利用两个信号量进行同步：

• _room_sem：表示剩余空间，生产者关心
• _data_sem：表示已有数据，消费者关心

环形队列天然可以实现生产者与消费者之间的同步与互斥关系，因为信号量本身就是原子的，但是无法满足生产/消费自身之间的互斥关系，所以需要同时使用两把互斥锁来保证多个生产者、多个消费者之间的互斥。

#pragma once#include <iostream>
#include <vector>
#include "Sem.hpp"
#include "Mutex.hpp"using namespace SemModule;
using namespace MutexModule;static const int gcap = 5;template <typename T>
class RingQueue
{
public:RingQueue(int cap = gcap): _rq(cap), _cap(cap), _blank_sem(cap), _data_sem(0), _p_step(0), _c_step(0){}void Equeue(const T &in){// 生产者// 1. 申请信号量，空位置信号量_blank_sem.P();{LockGuard lockguard(_pmutex);// 2. 生产_rq[_p_step] = in;// 3. 更新下标++_p_step;// 4. 维持环形特性_p_step %= _cap;}_data_sem.V();}void Pop(T *out){// 消费者// 1. 申请信号量，数据信号量_data_sem.P();{LockGuard lockguard(_cmutex);// 2. 消费*out = _rq[_c_step];// 3. 更新下标++_c_step;// 4. 维持环形特性_c_step %= _cap;}_blank_sem.V();}private:std::vector<T> _rq;int _cap;// 生产者Sem _blank_sem; // 生产者在乎空位置int _p_step;// 消费者Sem _data_sem; // 消费者在乎有数据位置int _c_step;// 多生产多消费之间的互斥关系维护（锁）Mutex _cmutex;Mutex _pmutex;
};

---

六、阻塞队列与环形队列

在 生产者–消费者模型 的实现中，资源既可以看作一个 整体，也可以拆分为 小块。

整体角度：当我们把缓冲区视为一个完整的资源池，需要用 阻塞队列 来管理整体状态（满/空），解决线程之间的等待与唤醒问题。

局部角度：当我们把缓冲区中的数据看作一个个小块时，需要用 环形队列 来组织这些小块的存放与取出，保证空间高效利用，避免资源浪费。

---