多个生产者——多个消费者模型(互斥量条件变量实现)

1. 介绍

生产者消费者问题属于有界缓冲区问题。我们现在讲述多个生产者向一个缓冲区中存入数据，多个生产者从缓冲区中取数据。

共享缓冲区作为一个环绕缓冲区，存数据到头时再从头开始。

2. 实现

我们使用一个互斥量保护生产者向缓冲区中存入数据。

由于有多个生产者，因此需要记住现在向缓冲区中存入的位置。

使用一个互斥量保护缓冲区中消息的数目，这个生产的数据数目作为生产者和消费者沟通的桥梁。

使用一个条件变量用于唤醒消费者。由于有多个消费者，同样消费者也需要记住每次取的位置。

4.代码

在选项中选择生产条目的数目，生产者的线程数目，消费者的线程数目。

生产者将条目数目循环放入缓冲区中，消费者从缓冲区中循环取出并在屏幕上打印出来。

#include "unp.h"

/*
 * 多个生产者——多个消费者
 * 使用条件变量和互斥锁的演示
 */

static const int NBUFF         = 10000;
static const int MAXNTHREADS = 100;

//总共生产的条目数
static int nitems;
//生产者向其中放数据，消费者从中取数据
static int buff[NBUFF]; 

//生产者使用的结构
//向其中互斥的放数据
static struct put {
    pthread_mutex_t mutex;
    int nput;            //net position to put
    int nval;            //next value to store
} put  = {
    PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};

//记录缓冲区的状态
//准备好的数目
//消费者唯一关注的结构
//当然生产者也会使用
static struct nready {
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
    int nget;
    int nready;            //number ready for consumer
} nready = {
    PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER
};

void *produce(void*);
void *consume(void*);

int main(int argc, char **argv)
{
    if (argc != 4) {
        err_quit("Usage: a.out <#items> <#produce_nthreads> <#consume_nthreads>");
    }
    nitems = atoi(argv[1]);
    int produce_nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS);
    int consume_nthreads = min(atoi(argv[3]), MAXNTHREADS);

    //Solaris 2.6需要设置线程并发数
//    Set_concurrency(nthreads + 1);
    
    pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS];
    for (int i = 0; i < produce_nthreads; ++i) {
        Pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, NULL);
    }
    pthread_t tid_consume[MAXNTHREADS];
    for (int i = 0; i < consume_nthreads; ++i) {
        Pthread_create(&tid_consume[i], NULL, consume, NULL);
    }

    //等待线程终止
    for (int i = 0; i < produce_nthreads; ++i) {
        Pthread_join(tid_produce[i], NULL);
    }
    for (int i = 0; i < consume_nthreads; ++i) {
        Pthread_join(tid_consume[i], NULL);
    }

    exit(0);
}

void *produce(void *arg)
{
    printf("producd
");

    //多个生产者
    for ( ; ; ) {
        Pthread_mutex_lock(&put.mutex);
        //已存了需要多的数
        if (put.nval >= nitems) {
            Pthread_mutex_unlock(&put.mutex);
            return NULL;
        }
        buff[put.nput] = put.nval;
        if (++put.nput >= NBUFF) {
            put.nput = 0;
        }
        ++put.nval;
        Pthread_mutex_unlock(&put.mutex);

        //当生产了数据后通知条件变量
        //应该使临界区尽量短，宁愿使用多个互斥量
        Pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
        if (nready.nready == 0) {
            Pthread_cond_signal(&nready.cond);
        }
        ++nready.nready;
        Pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
    } //end for(;;)

    return NULL;
}

void *consume(void *argv)
{
    printf("consume
");

    //多个消费者
    //只生产nitems个选项
    for ( ; ; ) {
        Pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
        //while避免虚假唤醒
        while (nready.nready == 0) {
            Pthread_cond_wait(&nready.cond, &nready.mutex);
        }
        //int ival = buff[nready.nget];
        //if (++nready.nget == NBUFF) {
        //    nready.nget = 0;
        //}
        if (++nready.nget >= nitems) {
            //nget比较的取值为1..nitems
            //当为nitems时少操作了一次，
            //总共操作nitems次
            if (nready.nget == nitems) {
                printf("buff[%d] = %d
", nready.nget - 1, buff[(nready.nget - 1) % NBUFF]);
            }
            Pthread_cond_signal(&nready.cond);
            Pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
            return NULL;
        }
        --nready.nready;
        Pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);

        //仅仅读数据不许要互斥
//        if (buff[nready.nget - 1] != nready.nget - 1) {
            printf("buff[%d] = %d
", nready.nget - 1, buff[(nready.nget - 1) % NBUFF]);
            //printf("buff[%d] = %d
", nready.nget, buff[nready.nget]);
//        }
    } //end for(i:0..nitems)
    
    return NULL;
}