多線程編程之：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容——“生產(chǎn)者消費(fèi)者”實(shí)驗(yàn)

　　9.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容——“生產(chǎn)者消費(fèi)者”實(shí)驗(yàn)

　　1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

　　“生產(chǎn)者消費(fèi)者”問(wèn)題是一個(gè)著名的同時(shí)性編程問(wèn)題的集合。通過(guò)學(xué)習(xí)經(jīng)典的“生產(chǎn)者消費(fèi)者”問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)，讀者可以進(jìn)一步熟悉Linux中的多線程編程，并且掌握用信號(hào)量處理線程間的同步和互斥問(wèn)題。

　　2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

　　“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”問(wèn)題描述如下。

　　有一個(gè)有限緩沖區(qū)和兩個(gè)線程：生產(chǎn)者和消費(fèi)者。他們分別不停地把產(chǎn)品放入緩沖區(qū)和從緩沖區(qū)中拿走產(chǎn)品。一個(gè)生產(chǎn)者在緩沖區(qū)滿的時(shí)候必須等待，一個(gè)消費(fèi)者在緩沖區(qū)空的時(shí)候也必須等待。另外，因?yàn)榫彌_區(qū)是臨界資源，所以生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間必須互斥執(zhí)行。它們之間的關(guān)系如圖9.4所示。

　　圖9.4 生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題描述

　　這里要求使用有名管道來(lái)模擬有限緩沖區(qū)，并且使用信號(hào)量來(lái)解決“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”問(wèn)題中的同步和互斥問(wèn)題。

　　3.實(shí)驗(yàn)步驟

　　(1)信號(hào)量的考慮。

　　這里使用3個(gè)信號(hào)量，其中兩個(gè)信號(hào)量avail和full分別用于解決生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程之間的同步問(wèn)題，mutex是用于這兩個(gè)線程之間的互斥問(wèn)題。其中avail表示有界緩沖區(qū)中的空單元數(shù)，初始值為N;full表示有界緩沖區(qū)中非空單元數(shù)，初始值為0;mutex是互斥信號(hào)量，初始值為1。

　　(2)畫(huà)出流程圖。

　　本實(shí)驗(yàn)流程圖如圖9.5所示。

　　圖9.5 “生產(chǎn)者—消費(fèi)者”實(shí)驗(yàn)流程圖

　　(3)編寫(xiě)代碼

　　本實(shí)驗(yàn)的代碼中采用的有界緩沖區(qū)擁有3個(gè)單元，每個(gè)單元為5個(gè)字節(jié)。為了盡量體現(xiàn)每個(gè)信號(hào)量的意義，在程序中生產(chǎn)過(guò)程和消費(fèi)過(guò)程是隨機(jī)(采取0～5s的隨機(jī)時(shí)間間隔)進(jìn)行的，而且生產(chǎn)者的速度比消費(fèi)者的速度平均快兩倍左右(這種關(guān)系可以相反)。生產(chǎn)者一次生產(chǎn)一個(gè)單元的產(chǎn)品(放入“hello”字符串)，消費(fèi)者一次消費(fèi)一個(gè)單元的產(chǎn)品。

　　/*producer-customer.c*/

　　#include

　　#include

　　#include

　　#include

　　#include

　　#include

　　#include

　　#include

　　#define MYFIFO "myfifo" /* 緩沖區(qū)有名管道的名字 */

　　#define BUFFER_SIZE 3 /* 緩沖區(qū)的單元數(shù) */

　　#define UNIT_SIZE 5 /* 每個(gè)單元的大小 */

　　#define RUN_TIME 30 /* 運(yùn)行時(shí)間 */

　　#define DELAY_TIME_LEVELS 5.0 /* 周期的最大值 */

　　int fd;

　　time_t end_time;

　　sem_t mutex, full, avail; /* 3個(gè)信號(hào)量 */

　　/*生產(chǎn)者線程*/

　　void *producer(void *arg)

　　{

　　int real_write;

　　int delay_time = 0;

　　while(time(NULL) < end_time)

　　{

　　delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX) / 2.0) + 1;

　　sleep(delay_time);

　　/*P操作信號(hào)量avail和mutex*/

　　sem_wait(&avail);

　　sem_wait(&mutex);

　　printf("nProducer: delay = %dn", delay_time);

　　/*生產(chǎn)者寫(xiě)入數(shù)據(jù)*/

　　if ((real_write = write(fd, "hello", UNIT_SIZE)) == -1)

　　{

　　if(errno == EAGAIN)

　　{

　　printf("The FIFO has not been read yet.Please try latern");

　　}

　　}

　　else

　　{

　　printf("Write %d to the FIFOn", real_write);

　　}

　　/*V操作信號(hào)量full和mutex*/

　　sem_post(&full);

　　sem_post(&mutex);

　　}

　　pthread_exit(NULL);

　　}

　　/* 消費(fèi)者線程*/

　　void *customer(void *arg)

　　{

　　unsigned char read_buffer[UNIT_SIZE];

　　int real_read;

　　int delay_time;

　　while(time(NULL) < end_time)

　　{

　　delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)) + 1;

　　sleep(delay_time);

　　/*P操作信號(hào)量full和mutex*/

　　sem_wait(&full);

　　sem_wait(&mutex);

　　memset(read_buffer, 0, UNIT_SIZE);

　　printf("nCustomer: delay = %dn", delay_time);

　　if ((real_read = read(fd, read_buffer, UNIT_SIZE)) == -1)

　　{

　　if (errno == EAGAIN)

　　{

　　printf("No data yetn");

　　}

　　}

　　printf("Read %s from FIFOn", read_buffer);

　　/*V操作信號(hào)量avail和mutex*/

　　sem_post(&avail);

　　sem_post(&mutex);

　　}

　　pthread_exit(NULL);

　　}

　　int main()

　　{

　　pthread_t thrd_prd_id,thrd_cst_id;

　　pthread_t mon_th_id;

　　int ret;

　　srand(time(NULL));

　　end_time = time(NULL) + RUN_TIME;

　　/*創(chuàng)建有名管道*/

　　if((mkfifo(MYFIFO, O_CREAT|O_EXCL) < 0) && (errno != EEXIST))

　　{

　　printf("Cannot create fifon");

　　return errno;

　　}

　　/*打開(kāi)管道*/

　　fd = open(MYFIFO, O_RDWR);

　　if (fd == -1)

　　{

　　printf("Open fifo errorn");

　　return fd;

　　}

　　/*初始化互斥信號(hào)量為1*/

　　ret = sem_init(&mutex, 0, 1);

　　/*初始化avail信號(hào)量為N*/

　　ret += sem_init(&avail, 0, BUFFER_SIZE);

　　/*初始化full信號(hào)量為0*/

　　ret += sem_init(&full, 0, 0);

　　if (ret != 0)

　　{

　　printf("Any semaphore initialization failedn");

　　return ret;

　　}

　　/*創(chuàng)建兩個(gè)線程*/

　　ret = pthread_create(&thrd_prd_id, NULL, producer, NULL);

　　if (ret != 0)

　　{

　　printf("Create producer thread errorn");

　　return ret;

　　}

　　ret = pthread_create(&thrd_cst_id, NULL, customer, NULL);

　　if(ret != 0)

　　{

　　printf("Create customer thread errorn");

　　return ret;

　　}

　　pthread_join(thrd_prd_id, NULL);

　　pthread_join(thrd_cst_id, NULL);

　　close(fd);

　　unlink(MYFIFO);

　　return 0;

　　}

　　4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　運(yùn)行該程序，得到如下結(jié)果：

　　$ ./producer_customer

　　……

　　Producer: delay = 3

　　Write 5 to the FIFO

　　Customer: delay = 3

　　Read hello from FIFO

　　Producer: delay = 1

　　Write 5 to the FIFO

　　Producer: delay = 2

　　Write 5 to the FIFO

　　Customer: delay = 4

　　Read hello from FIFO

　　Customer: delay = 1

　　Read hello from FIFO

　　Producer: delay = 2

　　Write 5 to the FIFO

　　……

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