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Linux生产者消费者模型详解

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生产者消费者模型

生产者消费者模型的概念

生产者消费者模型通过一个容器解决生产者与消费者的强耦合问题。

• 通信方式：生产者不直接与消费者交互，而是将数据放入容器；消费者从容器取数据。
• 容器作用：缓冲区，解耦生产者与消费者，平衡双方处理能力。

生产者消费者模型的特点

生产者消费者模型是多线程同步与互斥的经典场景，具有以下特点：

1. 三种关系：
   • 生产者与生产者：互斥（竞争容器访问）。
   • 消费者与消费者：互斥（竞争容器访问）。
   • 生产者与消费者：互斥（共享容器）+同步（生产消费顺序）。
2. 两种角色：生产者与消费者（线程或进程）。
3. 一个交易场所：内存缓冲区（如队列）。

互斥原因：容器是临界资源，需用互斥锁保护，多线程竞争访问。
同步原因：

• 容器满时，生产者需等待，避免生产失败。
• 容器空时，消费者需等待，避免消费失败。
• 同步确保有序访问，防止饥饿，提高效率。

注意：互斥保证数据正确性，同步实现线程协作。

生产者消费者模型优点

1. 解耦：生产者与消费者独立运行，通过容器间接交互。
2. 支持并发：生产者生产时，消费者可同时消费。
3. 支持忙闲不均：容器缓冲数据，平衡处理速度差异。

对比函数调用（紧耦合），生产者消费者模型是松耦合设计，生产者无需等待消费者处理。

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基于BlockingQueue的生产者消费者模型

基于阻塞队列的生产者消费者模型

在多线程编程中，**阻塞队列（Blocking Queue）**是实现生产者消费者模型的常用数据结构。

• 与普通队列的区别：
  • 队列空时，取元素操作阻塞，直到有数据。
  • 队列满时，放元素操作阻塞，直到有空间。
• 应用场景：类似管道通信。

模拟实现基于阻塞队列的生产消费模型

基础实现

以单生产者、单消费者为例，使用C++ queue 实现阻塞队列：

BlockQueue.hpp：

#pragma once
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <queue>#define NUM 5template<class T>
class BlockQueue {
private:bool IsFull() { return _q.size() == _cap; }bool IsEmpty() { return _q.empty(); }
public:BlockQueue(int cap = NUM) : _cap(cap) {pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);pthread_cond_init(&_full, nullptr);pthread_cond_init(&_empty, nullptr);}~BlockQueue() {pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_full);pthread_cond_destroy(&_empty);}void Push(const T& data) {pthread_mutex_lock(&_mutex);while (IsFull()) {pthread_cond_wait(&_full, &_mutex); // 队列满，等待}_q.push(data);pthread_mutex_unlock(&_mutex);pthread_cond_signal(&_empty); // 唤醒消费者}void Pop(T& data) {pthread_mutex_lock(&_mutex);while (IsEmpty()) {pthread_cond_wait(&_empty, &_mutex); // 队列空，等待}data = _q.front();_q.pop();pthread_mutex_unlock(&_mutex);pthread_cond_signal(&_full); // 唤醒生产者}
private:std::queue<T> _q; // 阻塞队列int _cap; // 容量上限pthread_mutex_t _mutex; // 互斥锁pthread_cond_t _full; // 满条件变量pthread_cond_t _empty; // 空条件变量
};

main.cpp：

#include "BlockQueue.hpp"
#include <unistd.h>void* Producer(void* arg) {BlockQueue<int>* bq = (BlockQueue<int>*)arg;while (true) {sleep(1);int data = rand() % 100 + 1;bq->Push(data);std::cout << "Producer: " << data << std::endl;}return nullptr;
}
void* Consumer(void* arg) {BlockQueue<int>* bq = (BlockQueue<int>*)arg;while (true) {sleep(1);int data;bq->Pop(data);std::cout << "Consumer: " << data << std::endl;}return nullptr;
}
int main() {srand((unsigned int)time(nullptr));pthread_t producer, consumer;BlockQueue<int>* bq = new BlockQueue<int>;pthread_create(&producer, nullptr, Producer, bq);pthread_create(&consumer, nullptr, Consumer, bq);pthread_join(producer, nullptr);pthread_join(consumer, nullptr);delete bq;return 0;
}

说明：

• 单生产者单消费者：无需维护生产者间或消费者间的互斥。
• 互斥：_mutex 保护队列。
• 同步：_full 和 _empty 条件变量控制生产消费顺序。
• 条件判断：用 while 防止伪唤醒。
• 运行结果：生产者与消费者步调一致，每秒交替生产消费。

生产者消费者步调调整

1. 生产快，消费慢：

   void* Producer(void* arg) {BlockQueue<int>* bq = (BlockQueue<int>*)arg;while (true) {int data = rand() % 100 + 1;bq->Push(data);std::cout << "Producer: " << data << std::endl;}
   }
   void* Consumer(void* arg) {BlockQueue<int>* bq = (BlockQueue<int>*)arg;while (true) {sleep(1);int data;bq->Pop(data);std::cout << "Consumer: " << data << std::endl;}
   }
   

   • 生产者快速填满队列后等待，消费者消费一个后唤醒生产者，后续步调一致。

2. 生产慢，消费快：

   void* Producer(void* arg) {BlockQueue<int>* bq = (BlockQueue<int>*)arg;while (true) {sleep(1);int data = rand() % 100 + 1;bq->Push(data);std::cout << "Producer: " << data << std::endl;}
   }
   void* Consumer(void* arg) {BlockQueue<int>* bq = (BlockQueue<int>*)arg;while (true) {int data;bq->Pop(data);std::cout << "Consumer: " << data << std::endl;}
   }
   

   • 消费者初始等待生产者生产，消费后继续等待，步调随生产者。

条件唤醒优化

调整唤醒条件，例如队列数据量超一半时唤醒消费者，小于一半时唤醒生产者：

void Push(const T& data) {pthread_mutex_lock(&_mutex);while (IsFull()) {pthread_cond_wait(&_full, &_mutex);}_q.push(data);if (_q.size() >= _cap / 2) {pthread_cond_signal(&_empty); // 超一半唤醒消费者}pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}
void Pop(T& data) {pthread_mutex_lock(&_mutex);while (IsEmpty()) {pthread_cond_wait(&_empty, &_mutex);}data = _q.front();_q.pop();if (_q.size() <= _cap / 2) {pthread_cond_signal(&_full); // 少于一半唤醒生产者}pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

• 效果：生产者快速填满队列后等待，消费者消费至一半以下才唤醒生产者。

基于计算任务的扩展

将队列存储类型改为任务类，扩展功能：

Task.hpp：

#pragma once
#include <iostream>class Task {
public:Task(int x = 0, int y = 0, char op = 0) : _x(x), _y(y), _op(op) {}void Run() {int result = 0;switch (_op) {case '+': result = _x + _y; break;case '-': result = _x - _y; break;case '*': result = _x * _y; break;case '/': if (_y == 0) { std::cout << "Warning: div zero!" << std::endl; result = -1; }else { result = _x / _y; } break;case '%': if (_y == 0) { std::cout << "Warning: mod zero!" << std::endl; result = -1; }else { result = _x % _y; } break;default: std::cout << "error operation!" << std::endl; break;}std::cout << _x << " " << _op << " " << _y << "=" << result << std::endl;}
private:int _x, _y;char _op;
};

main.cpp：

#include "BlockQueue.hpp"
#include "Task.hpp"void* Producer(void* arg) {BlockQueue<Task>* bq = (BlockQueue<Task>*)arg;const char* ops = "+-*/%";while (true) {int x = rand() % 100;int y = rand() % 100;char op = ops[rand() % 5];Task t(x, y, op);bq->Push(t);std::cout << "Producer task done" << std::endl;}return nullptr;
}
void* Consumer(void* arg) {BlockQueue<Task>* bq = (BlockQueue<Task>*)arg;while (true) {sleep(1);Task t;bq->Pop(t);t.Run();}return nullptr;
}
int main() {srand((unsigned int)time(nullptr));pthread_t producer, consumer;BlockQueue<Task>* bq = new BlockQueue<Task>;pthread_create(&producer, nullptr, Producer, bq);pthread_create(&consumer, nullptr, Consumer, bq);pthread_join(producer, nullptr);pthread_join(consumer, nullptr);delete bq;return 0;
}

• 功能：生产者生成计算任务，消费者执行计算并输出结果。
• 扩展性：通过定义不同 Task 类实现多样化任务处理。

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总结

• 模型核心：通过容器解耦生产者与消费者，支持并发与忙闲不均。
• 实现关键：阻塞队列结合互斥锁与条件变量，确保互斥与同步。
• 灵活性：可调整步调、唤醒条件，或扩展为复杂任务处理。