多线程面试题系列（10）：生产者消费者问题

  继经典线程同步问题之后，我们来看看生产者消费者问题及读者写者问题。生产者消费者问题是一个著名的线程同步问题，该问题描述如下：

有一个生产者在生产产品，这些产品将提供给若干个消费者去消费，为了使生产者和消费者能并发执行，在两者之间设置一个具有多个缓冲区的缓冲池，生产者将它生产的产品放入一个缓冲区中，消费者可以从缓冲区中取走产品进行消费，显然生产者和消费者之间必须保持同步，即不允许消费者到一个空的缓冲区中取产品，也不允许生产者向一个已经放入产品的缓冲区中再次投放产品。

这个生产者消费者题目不仅常用于操作系统的课程设计，也常常在程序员和软件设计师考试中出现。并且在计算机考研的专业课考试中也是一个非常热门的问题。因此现在就针对这个问题进行详细深入的解答。

    首先来简化问题，先假设生产者和消费者都只有一个，且缓冲区也只有一个。这样情况就简便多了。

    第一．从缓冲区取出产品和向缓冲区投放产品必须是互斥进行的。可以用关键段和互斥量来完成。

    第二．生产者要等待缓冲区为空，这样才可以投放产品，消费者要等待缓冲区不为空，这样才可以取出产品进行消费。并且由于有二个等待过程，所以要用二个事件或信号量来控制。

    考虑这二点后，代码很容易写出来。另外为了美观起见，将消费者的输出颜色设置为彩色，有关如何在控制台下设置彩色输出请参阅《VC 控制台颜色设置》。

//1生产者 1消费者 1缓冲区
//使用二个事件，一个表示缓冲区空，一个表示缓冲区满。
//再使用一个关键段来控制缓冲区的访问
#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>
//设置控制台输出颜色
BOOL SetConsoleColor(WORD wAttributes)
{
    HANDLE hConsole = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
    if (hConsole == INVALID_HANDLE_VALUE)
        return FALSE;
    return SetConsoleTextAttribute(hConsole, wAttributes);
}
const int END_PRODUCE_NUMBER = 10;   //生产产品个数
int g_Buffer;                        //缓冲区
//事件与关键段
CRITICAL_SECTION g_cs;
HANDLE g_hEventBufferEmpty, g_hEventBufferFull;
//生产者线程函数
unsigned int __stdcall ProducerThreadFun(PVOID pM)
{
    for (int i = 1; i <= END_PRODUCE_NUMBER; i++)
    {
        //等待缓冲区为空
        WaitForSingleObject(g_hEventBufferEmpty, INFINITE);

        //互斥的访问缓冲区
        EnterCriticalSection(&g_cs);
        g_Buffer = i;
        printf("生产者将数据%d放入缓冲区
", i);
        LeaveCriticalSection(&g_cs);

        //通知缓冲区有新数据了
        SetEvent(g_hEventBufferFull);
    }
    return 0;
}
//消费者线程函数
unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM)
{
    volatile bool flag = true;
    while (flag)
    {
        //等待缓冲区中有数据
        WaitForSingleObject(g_hEventBufferFull, INFINITE);

        //互斥的访问缓冲区
        EnterCriticalSection(&g_cs);
        SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
        printf("  消费者从缓冲区中取数据%d
", g_Buffer);
        SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
        if (g_Buffer == END_PRODUCE_NUMBER)
            flag = false;
        LeaveCriticalSection(&g_cs);

        //通知缓冲区已为空
        SetEvent(g_hEventBufferEmpty);

        Sleep(10); //some other work should to do
    }
    return 0;
}
int main()
{
    printf("  生产者消费者问题   1生产者 1消费者 1缓冲区
");
    printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --

");

    InitializeCriticalSection(&g_cs);
    //创建二个自动复位事件，一个表示缓冲区是否为空，另一个表示缓冲区是否已经处理
    g_hEventBufferEmpty = CreateEvent(NULL, FALSE, TRUE, NULL);
    g_hEventBufferFull = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);

    const int THREADNUM = 2;
    HANDLE hThread[THREADNUM];

    hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL);
    hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
    WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE);
    CloseHandle(hThread[0]);
    CloseHandle(hThread[1]);

    //销毁事件和关键段
    CloseHandle(g_hEventBufferEmpty);
    CloseHandle(g_hEventBufferFull);
    DeleteCriticalSection(&g_cs);
    return 0;
}

运行结果如下所示：

可以看出生产者与消费者已经是有序的工作了。

    然后再对这个简单生产者消费者问题加大难度。将消费者改成2个，缓冲池改成拥有4个缓冲区的大缓冲池。

    如何来思考了这个问题了？首先根据上面分析的二点，可以知道生产者和消费者由一个变成多个的影响不大，唯一要注意的是缓冲池变大了，回顾一下《秒杀多线程第八篇 经典线程同步 信号量Semaphore》中的信号量，不难得出用二个信号量就可以解决这种缓冲池有多个缓冲区的情况——用一个信号量A来记录为空的缓冲区个数，另一个信号量B记录非空的缓冲区个数，然后生产者等待信号量A，消费者等待信号量B就可以了。因此可以仿照上面的代码来实现复杂生产者消费者问题，示例代码如下：

//1生产者 2消费者 4缓冲区
#include <stdio.h>
#include <process.h>
#include <windows.h>
//设置控制台输出颜色
BOOL SetConsoleColor(WORD wAttributes)
{
    HANDLE hConsole = GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE);
    if (hConsole == INVALID_HANDLE_VALUE)
        return FALSE;

    return SetConsoleTextAttribute(hConsole, wAttributes);
}
const int END_PRODUCE_NUMBER = 8;  //生产产品个数
const int BUFFER_SIZE = 4;          //缓冲区个数
int g_Buffer[BUFFER_SIZE];          //缓冲池
int g_i, g_j;
//信号量与关键段
CRITICAL_SECTION g_cs;
HANDLE g_hSemaphoreBufferEmpty, g_hSemaphoreBufferFull;
//生产者线程函数
unsigned int __stdcall ProducerThreadFun(PVOID pM)
{
    for (int i = 1; i <= END_PRODUCE_NUMBER; i++)
    {
        //等待有空的缓冲区出现
        WaitForSingleObject(g_hSemaphoreBufferEmpty, INFINITE);

        //互斥的访问缓冲区
        EnterCriticalSection(&g_cs);
        g_Buffer[g_i] = i;
        printf("生产者在缓冲池第%d个缓冲区中投放数据%d
", g_i, g_Buffer[g_i]);
        g_i = (g_i + 1) % BUFFER_SIZE;
        LeaveCriticalSection(&g_cs);

        //通知消费者有新数据了
        ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull, 1, NULL);
    }
    printf("生产者完成任务，线程结束运行
");
    return 0;
}
//消费者线程函数
unsigned int __stdcall ConsumerThreadFun(PVOID pM)
{
    while (true)
    {
        //等待非空的缓冲区出现
        WaitForSingleObject(g_hSemaphoreBufferFull, INFINITE);

        //互斥的访问缓冲区
        EnterCriticalSection(&g_cs);
        SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
        printf("  编号为%d的消费者从缓冲池中第%d个缓冲区取出数据%d
", GetCurrentThreadId(), g_j, g_Buffer[g_j]);
        SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
        if (g_Buffer[g_j] == END_PRODUCE_NUMBER)//结束标志
        {
            LeaveCriticalSection(&g_cs);
            //通知其它消费者有新数据了(结束标志)
            ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull, 1, NULL);
            break;
        }
        g_j = (g_j + 1) % BUFFER_SIZE;
        LeaveCriticalSection(&g_cs);

        Sleep(50); //some other work to do

        ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferEmpty, 1, NULL);
    }
    SetConsoleColor(FOREGROUND_GREEN);
    printf("  编号为%d的消费者收到通知，线程结束运行
", GetCurrentThreadId());
    SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
    return 0;
}
int main()
{
    printf("  生产者消费者问题   1生产者 2消费者 4缓冲区
");
    printf(" -- by MoreWindows( http://blog.csdn.net/MoreWindows ) --

");

    InitializeCriticalSection(&g_cs);
    //初始化信号量,一个记录有产品的缓冲区个数,另一个记录空缓冲区个数.
    g_hSemaphoreBufferEmpty = CreateSemaphore(NULL, 4, 4, NULL);
    g_hSemaphoreBufferFull  = CreateSemaphore(NULL, 0, 4, NULL);
    g_i = 0;
    g_j = 0;
    memset(g_Buffer, 0, sizeof(g_Buffer));

    const int THREADNUM = 3;
    HANDLE hThread[THREADNUM];
    //生产者线程
    hThread[0] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ProducerThreadFun, NULL, 0, NULL);
    //消费者线程
    hThread[1] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
    hThread[2] = (HANDLE)_beginthreadex(NULL, 0, ConsumerThreadFun, NULL, 0, NULL);
    WaitForMultipleObjects(THREADNUM, hThread, TRUE, INFINITE);
    for (int i = 0; i < THREADNUM; i++)
        CloseHandle(hThread[i]);

    //销毁信号量和关键段
    CloseHandle(g_hSemaphoreBufferEmpty);
    CloseHandle(g_hSemaphoreBufferFull);
    DeleteCriticalSection(&g_cs);
    return 0;
}

运行结果如下图所示：

输出结果证明各线程的同步和互斥已经完成了。

至此，生产者消费者问题已经圆满的解决了，下面作个总结：

1．首先要考虑生产者与消费者对缓冲区操作时的互斥。

2．不管生产者与消费者有多少个，缓冲池有多少个缓冲区。都只有二个同步过程——分别是生产者要等待有空缓冲区才能投放产品，消费者要等待有非空缓冲区才能去取产品。

下一篇将介绍另一个著名的同步问题——读者写者问题。