Linux 操作系统：基于环形队列的生产者消费者模型

一、前言二、大致框架二、P操作、V操作三、生产者生产数据四、生产者获取数据五、代码测试六、所有代码

一、前言

环形队列采用数组模拟，用模运算来模拟环状特性。和基于阻塞队列的生产者消费者模型不同的是，环形队列将公共资源分成多份使用，而阻塞队列则是将公共资源当作一个整体使用！！

Linux OS：线程封装 | RAII封装锁 | 随机数运算任务封装

二、大致框架

毫无疑问，我们首先需要一个数组来模拟环形队列，并且环形队列的大小也需指明！由于我们是将公共资源（即环形队列）分为多个小块单独使用，生产者向环形队列中插入数据，生产者向环形队列中取数据。这也意味着生产者和消费者的步数不一致，我们需要两个变量分别记录生产者和消费者的运动下标。

对于生产者来说，空间是资源；对于消费者来所，数据是资源。并且生产者不能把消费者套一个圈（此时队列已经为满）；消费者不能超越生产者（此时队列已经为空）。由于环形结构起始状态和结束状态都是一样的，不好判断为空或者为，所以我们引入两把计数器分别表示公共资源的个数，即信号量！！（初始时，生产者空间资源为整个数组，消费者数据资源为0）

生产者消费者模型是多生产者多消费者间的消费模型。这也意味者可能存在多个生产者或多个消费者并发访问公共资源，会导致多执行流数据不一致问题！所以我们要为生产者和消费者各自维护一把锁！

【大致框架】：

<code>const int defaultSize = 5; //环形队列大小默认值

template <class T>

class RingQueue

{

public:

RingQueue(int size = defaultSize)

: _size(size), _ringqueue(size), _p_step(0), _c_step(0)

{

sem_init(&_data_sem, 0, 0);

sem_init(&_space_sem, 0, size);

pthread_mutex_init(&_mutex_p, nullptr);

pthread_mutex_init(&_mutex_c, nullptr);

}

~RingQueue()

{

sem_destroy(&_data_sem);

sem_destroy(&_space_sem);

pthread_mutex_destroy(&_mutex_c);

pthread_mutex_destroy(&_mutex_p);

}

private:

std::vector<T> _ringqueue;

int _size;

int _p_step; // 生产者

int _c_step; // 消费者

sem_t _data_sem; // 消费者使用

sem_t _space_sem; // 生产者使用

pthread_mutex_t _mutex_p; // 生产者使用

pthread_mutex_t _mutex_c; // 消费者使用

};

二、P操作、V操作

由于后续生产者和消费者都需要进行P（申请信号量）、V(释放信号量)。所以我们在这对PV进行封装！

【具体如下】：

void P(sem_t &sem) // 申请信号量

{

sem_wait(&sem); // 等待信号量，等待成功会将信号量的值减1

}

void V(sem_t &sem) // 释放信号量

{

sem_post(&sem); // 发布信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了。将信号量值加1

}

三、生产者生产数据

生产者要想环形队列中插入数据，首先需要P操作申请空间资源。一旦申请成功，就意味着完成了对空间资源的预定。换而言之环形队列还未满，还可以继续插入数据。为了防止多生产并发访问环形队列，记下来就是申请锁了。

只有两者都成功了，生产者才能向环形队列中Push数据。插入成功后，更新生产者步数下标即可！

【具体代码】：

void Push(T &in)

{

P(_space_sem);

{

// LockGuard具体代码查看前言链接

LockGuard lock(&_mutex_p);// RAII思想对锁进行了疯转，代替注释的显示加锁和解锁操作

// pthread_mutex_lock(&_mutex_p);

_ringqueue[_p_step] = in;

_p_step++;

_p_step %= _size;

// pthread_mutex_unlock(&_mutex_p);

}

V(_data_sem);

}

四、生产者获取数据

我们给Pop函数传递一个输出型参数，将生产者需要的数据带出！

和消费行为一样，生产者首先需要生产空间资源（即空间信号量）、锁。然后将环形队列中的数据赋值个输出型产生，然后更新步数下标即可！

【具体代码】：

void Pop(T *out)

{

P(_data_sem);

{

// LockGuard具体代码查看前言链接

LockGuard lock(&_mutex_c);// RAII思想对锁进行了疯转，代替注释的显示加锁和解锁操作

// pthread_mutex_lock(&_mutex_c);

*out = _ringqueue[_c_step];

_c_step++;

_c_step %= _size;

// pthread_mutex_unlock(&_mutex_c);

}

V(_space_sem);

}

五、代码测试

这里我们创建3个生产者和2个消费者。生产者插入的数据为2个随机数和随机运算符构造的任务Task；消费者直接获取任务执行！（消费者启动时先睡眠3秒，让生产者将环形队列填充满后在消费）

【具体代码】：

void *Productor(void *args)

{

RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);

while(true)

{

// sleep(1);

int data_x = rand() % 10 + 1;

usleep(1000);

int data_y = rand() % 10 + 1;

usleep(1000);

char op = opers[rand() % opers.size()];

Task t(data_x, data_y, op);

rq->Push(t);

std::cout << "Productor:" << t.PrintTask() << std::endl;

}

}

void *Consumer(void *args)

{

sleep(3);

RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);

while(true)

{

sleep(1);

Task t;

rq->Pop(&t);

t();

std::cout << "Consumer: " << t.PrintResult() << std::endl;

}

}

int main()

{

srand(time(nullptr) ^ pthread_self() ^ getpid());

RingQueue<Task> rq;

pthread_t p[3], c[2];

pthread_create(&p[0], nullptr, Productor, &rq);

pthread_create(&p[1], nullptr, Productor, &rq);

pthread_create(&p[2], nullptr, Productor, &rq);

pthread_create(&c[0], nullptr, Consumer, &rq);

pthread_create(&c[1], nullptr, Consumer, &rq);

pthread_join(p[0], nullptr);

pthread_join(p[1], nullptr);

pthread_join(p[2], nullptr);

pthread_join(c[0], nullptr);

pthread_join(c[1], nullptr);

return 0;

}

【运行结果】：

六、所有代码

gitee：基于环形队列的生产者消费者模型