生產(chǎn)者—消費(fèi)者的Linux多線程實(shí)現(xiàn)

1、生產(chǎn)者消費(fèi)者的 Linux 多線程實(shí)現(xiàn)1 線程基本概念1.1 進(jìn)程和線程 可執(zhí)行文件由指令和數(shù)據(jù)組成。進(jìn)程就是 在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的可執(zhí)行文件針對(duì)特定的輸入數(shù)據(jù)的一個(gè)實(shí)例， 同一個(gè)可執(zhí)行程序文件如果操作不同的輸入數(shù)據(jù)就是兩個(gè)不同 的進(jìn)程。線程是進(jìn)程的一條執(zhí)行路徑，它包含獨(dú)立的堆棧和CPU寄存 器狀態(tài)， 每個(gè)線程共享其所附屬的進(jìn)程的所有的資源， 包括打開 的文件、頁表（因此也就共享整個(gè)用戶態(tài)地址空間）、信號(hào)標(biāo)識(shí) 及動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存等等。Linux 中線程調(diào)度是由內(nèi)核調(diào)度程序完成的，每個(gè)線程有自 己的 ID 號(hào)。與進(jìn)程相比，它們消耗的系統(tǒng)資源較少、創(chuàng)建較快、 相互間的通信也比較容易。 存在于同一進(jìn)程中的

2、線程會(huì)共享一些 信息。同時(shí)作為一個(gè)獨(dú)立的線程， 它們又擁有一些區(qū)別于其他線 程的信息，包括線程ID、寄存器集合（如程序計(jì)數(shù)器和堆棧指 針）、堆棧、錯(cuò)誤號(hào)、信號(hào)掩碼以及線程優(yōu)先權(quán)。線程和進(jìn)程的關(guān)系是： 線程是屬于進(jìn)程的， 線程運(yùn)行在進(jìn)程 空間內(nèi)， 同一進(jìn)程所產(chǎn)生的線程共享同一物理內(nèi)存空間， 當(dāng)進(jìn)程 退出時(shí)該進(jìn)程所產(chǎn)生的線程都會(huì)被強(qiáng)制退出并清除。1.2 線程優(yōu)點(diǎn) 它是一種非?！肮?jié)儉”的多任務(wù)操作方式。 運(yùn)行于一個(gè)進(jìn) 程中的多個(gè)線程，使用的是同一個(gè)地址空間，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)， 不需要太多的空間啟動(dòng)一個(gè)線程， 而且，線程間彼此切換所需的 時(shí)間也比較短。 線程間方便的通信機(jī)制。 由于同一進(jìn)程下的線 程之間

3、共享數(shù)據(jù)空間， 所以一個(gè)線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程 所用，這不僅快捷，而且方便。使多 CPU系統(tǒng)更加有效。操作 系統(tǒng)會(huì)保證當(dāng)線程數(shù)不大于 CPU數(shù)目時(shí)，不同的線程運(yùn)行于不同 的CPU上。改善程序結(jié)構(gòu)。一個(gè)既長又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮 分為多個(gè)線程， 成為幾個(gè)獨(dú)立或半獨(dú)立的運(yùn)行部分， 便于理解和 修改。2 生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者問題2.1問題概述 生產(chǎn)/消費(fèi)者在有界緩沖上操作，它利用N個(gè) 字節(jié)的共享內(nèi)存作為有界循環(huán)緩沖區(qū)， 生產(chǎn)者線程不斷順序地將 0到 1000的數(shù)字寫入共享的循環(huán)緩沖區(qū)，同時(shí)消費(fèi)者線程不斷 地從共享的循環(huán)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。 利用寫一個(gè)數(shù)據(jù)模擬放一個(gè)產(chǎn) 品，利用讀一個(gè)數(shù)據(jù)模擬消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品

4、。 當(dāng)緩沖區(qū)空時(shí)消費(fèi)者應(yīng) 阻塞睡眠， 而當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)生產(chǎn)者應(yīng)當(dāng)阻塞睡眠。 一旦緩沖區(qū)中 有空單元， 生產(chǎn)者線程就向空單元中寫入數(shù)據(jù)。 一旦緩沖區(qū)中有 未讀過的數(shù)據(jù)，消費(fèi)者線程就從該單元中讀出數(shù)據(jù)。2.2 算法分析 生產(chǎn)者線程向循環(huán)緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)，消費(fèi) 者線程從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)， 生產(chǎn)者線程向緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)時(shí) 消費(fèi)者線程不能訪問緩沖區(qū)， 消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)時(shí) 生產(chǎn)者線程也不能訪問緩沖區(qū)， 既讀的時(shí)候不能寫， 寫的時(shí)候不 能讀，得保證緩沖區(qū)這一臨界資源同一時(shí)間只能被一個(gè)線程訪 問；緩沖區(qū)滿的時(shí)候不能生產(chǎn)，空的時(shí)候不能消費(fèi)。2.2.1 主程序：初始化結(jié)構(gòu)體 prodcons 中的各個(gè)參

5、數(shù)；建 立生產(chǎn)者、消費(fèi)者線程；等待線程結(jié)束。222生產(chǎn)者線程：設(shè)初始寫入的數(shù)據(jù) N為0;判斷N小 于1000是否成立；如果不成立，循環(huán)緩沖區(qū)插入OVER如果成立，向循環(huán)緩沖區(qū)生產(chǎn)既寫入 N并打印；重復(fù)該過程直到N=1000 為止。生產(chǎn)產(chǎn)品的函數(shù) put :獲得互斥鎖；判斷循環(huán)緩沖池是 否滿，如果滿將生產(chǎn)者線程阻塞到滿的條件變量 b-notfull 上， 并將互斥鎖釋放，讓消費(fèi)者線程讀取數(shù)據(jù)。如果不滿，向緩沖中 寫入數(shù)據(jù)；如果有線程阻塞到環(huán)境變量 b-empty ，將該線程喚 醒，同時(shí)釋放互斥鎖。如果沒有線程阻塞到條件變量 b-empty 上，就直接釋放互斥鎖。2.2.3 消費(fèi)者線程： 從循環(huán)緩

6、沖區(qū)中消費(fèi)既讀取數(shù)據(jù)并打 印；判斷讀取的數(shù)據(jù)是否是結(jié)束標(biāo)志 over ，如果是退出。如果 不是，重復(fù)該過程，直到讀到的數(shù)據(jù)是結(jié)束標(biāo)志 over 。消費(fèi) 產(chǎn)品的函數(shù) get ：獲得互斥鎖；判斷循環(huán)緩沖池是否空，如果空 將生產(chǎn)者線程阻塞到空的條件變量 b-empty 上，并將互斥鎖釋 放，讓生產(chǎn)者線程寫數(shù)據(jù)。如果不空，從緩沖中讀取數(shù)據(jù)；如果 有線程阻塞到環(huán)境變量 b-notfull 上，將該線程喚醒，同時(shí)釋 放互斥鎖。如果沒有線程阻塞到條件變量 b-notfull 上，就直 接釋放互斥鎖。2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct prodcons int bufferBUFFER_SIZE ； /* the

7、actual data */ pthread_mutex_t lock ； /* mutex ensuring exclusive access to buffer */int readpos ， writepos ； /* positions for reading and writing */ pthread_cond_t notempty ； /* signaled when buffer is not empty */pthread_cond_t notfull ；/* signaled whenbuffer is not full */；緩沖區(qū)采用循環(huán)緩沖區(qū)。緩沖區(qū)滿的條件( b-w

8、ritepos +1)% BUFFER_SIZE= b-readpos 。緩沖區(qū)空的條件b-writepos= b-readpos 。2.4 相關(guān)函數(shù)調(diào)用2.4.1 線程函數(shù)創(chuàng)建線程函數(shù)： 原型： int pthread_create(pthread_t* thread ， const pthread_attr_t * attr ， void *( * start )（ void * ）， void * arg ）；生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者問題中創(chuàng)建的線程：創(chuàng)建 producer 線程： pthread_create （&th_a ， NULL， producer ， 0 ）；創(chuàng)建 consumer

9、 線程： pthread_create (&th_b ， NULL， consumer， 0 ）；Pthread_create 函數(shù)中第一個(gè)參數(shù)為指向線程標(biāo)識(shí)符的指 針，第二個(gè)參數(shù)用來設(shè)置線程屬性，兩個(gè)線程該參數(shù)均為NULL，為系統(tǒng)配置的默認(rèn)屬性；第三個(gè)參數(shù)是線程運(yùn)行函數(shù)的起始地 址，最后一個(gè)參數(shù)是運(yùn)行函數(shù)的參數(shù)。當(dāng)創(chuàng)建線程成功時(shí)，函數(shù) 返回 0 。 等待線程結(jié)束函數(shù) 原型： extern int pthread_join（ pthread_t _th ， void * * _thread_return）；第一個(gè)參數(shù)為被等待的線程標(biāo)識(shí)符， 第二個(gè)參數(shù)為一個(gè)用戶 定義的指針，它可以用來存儲(chǔ)被等待

10、線程的返回值。生產(chǎn)者 -消費(fèi)者問題中等待結(jié)束的線程：pthread_join （ th_a ， &retval ）； pthread_join （th_b ， &retval ）； 終止線程 原型： extern void pthread_exit （ void * status ）；函數(shù)參數(shù) status 是指向線程返回值得指針。2.4.2 互斥鎖函數(shù) 一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程是共享同一段資 源的，由于線程對(duì)資源的競爭引出了鎖。 互斥鎖用來保證一段時(shí) 間內(nèi)只有一個(gè)線程在執(zhí)行一段代碼。 其中 mutex 是一種簡單的加 鎖方法，這個(gè)互斥鎖只有兩種狀態(tài)，那就是上鎖和解鎖。在某一 時(shí)刻，只能有一個(gè)線程

11、取得這個(gè)互斥上的鎖， 擁有上鎖狀態(tài)的線 程可以對(duì)共享資源進(jìn)行操作，而其他線程在該線程未解鎖之前， 會(huì)被掛起，直到上鎖的線程解開鎖?；コ怄i初始化函數(shù)：int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t* mutex ，const pthread_mutexattr_t* mutexattr )； 第一個(gè)參數(shù)為指向互斥鎖的指針，第二個(gè)參數(shù)為鎖的屬性， 該問題中設(shè)為NULL為默認(rèn)分配的屬性?；コ怄i上鎖函數(shù)：int pthread_mutex_lock( pthread_mutex_t* mutex )；pthread_mutex_lock 聲明開始用互斥鎖上鎖，此后的代碼

12、 直至調(diào)用 pthread_mutex_unlock 為止，均被上鎖，即同一時(shí)間 只能被一個(gè)線程調(diào)用執(zhí)行。條件變量：關(guān)于互斥鎖的一個(gè)很顯然的不足之處就是它僅存 在兩種狀態(tài)： 即鎖定和非鎖定。 實(shí)際上它的這一缺點(diǎn)是可以根據(jù) 條件變量通過允許線程阻塞和等待另一個(gè)線程發(fā)送信號(hào)的方法 來改善的，條件變量經(jīng)常與互斥鎖同時(shí)使用。 條件變量初始化函數(shù)。原型：int pthread_cond_init ( pthread_cond_t * cond， const pthread_condattr_t * cond_attr )；第 1個(gè)函數(shù)參數(shù)表示要初始化的條件變量對(duì)象， 第 2個(gè)參數(shù) 是條件變量的屬性。生產(chǎn)

13、者 -消費(fèi)者問題中用到兩個(gè)條件變量 b-notempty 和 b-notfull 。其中 b-notempty 是緩沖區(qū)滿的時(shí) 候阻塞生產(chǎn)者線程的條件變量， b-notfull 是緩沖區(qū)空的時(shí)候阻塞消費(fèi)者線程的條件變量。兩個(gè)條件變量均應(yīng)初始化。 線程阻塞函數(shù)。原型：extern int pthread_cond_wait (pthread_cond_t * cond ， pthread_mutex_t * mutex )；第 1 個(gè)參數(shù)就是要等待的條件變量， 第 2 個(gè)參數(shù)則是解鎖 的對(duì)象。生產(chǎn)者 -消費(fèi)者中用到的線程阻塞函數(shù)：pthread_cond_wait (&b-notfull ， &b-lock )；既生產(chǎn) 者線程因?yàn)檠h(huán)緩沖區(qū)滿將自己阻塞到條件變量 b-notfull 上，同時(shí)釋放鎖 &b-lock ，讓消費(fèi)者線程去執(zhí)行。pthread_cond_wait ( &b-notempty ， &b-lock )；既消費(fèi) 者線程因?yàn)檠h(huán)緩沖區(qū)空將自己阻塞到條件變量 b-notempty 上，同時(shí)釋放鎖 &b-lock ，讓生產(chǎn)者線程去生產(chǎn)。 線程喚醒函數(shù)：原型：extern int pthread_cond_signal( pthread_cond_t *cond)；