【多线程】(九)生产者消费者问题

参考自 ： http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7577591
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
//使用两个事件，一个表示缓冲区空，一个表示缓冲区满
//再使用一个关键段控制缓冲区的访问

#include "stdafx.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;
int g_Buffer;

CRITICAL_SECTION g_cs;
HANDLE g_hEventBufferEmpty ,g_hEventBufferFull;

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\n",i);
LeaveCriticalSection(&g_cs);

SetEvent(g_hEventBufferFull);

}
return 0;
}

//消费者线程
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\n",g_Buffer);
SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
if (g_Buffer == END_PRODUCE_NUMBER)
{
flag = false;
}
LeaveCriticalSection(&g_cs);

//通知缓冲区已经为空
SetEvent(g_hEventBufferEmpty);
Sleep(10);
}
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\n");
InitializeCriticalSection(&g_cs);
//创建第二个自动复位事件，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;
}

结果



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 "stdafx.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;
const int BUFFER_SIZE = 4;
int g_Buffer[BUFFER_SIZE];
int g_i,g_j;

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\n",g_i ,g_Buffer[g_i]);
g_i = (g_i + 1) % BUFFER_SIZE ;

LeaveCriticalSection(&g_cs);

ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull ,1 ,NULL);

}
printf("生产者完成任务 ，线程结束运行\n");
return 0;
}

//消费者线程
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个缓冲区中取数据%d\n",GetCurrentThreadId(),g_j ,g_Buffer[g_j]);
SetConsoleColor(FOREGROUND_RED | FOREGROUND_GREEN | FOREGROUND_BLUE);
if (g_Buffer[g_j] == END_PRODUCE_NUMBER)
{
LeaveCriticalSection(&g_cs);
//通知其他消费者有新数据了
ReleaseSemaphore(g_hSemaphoreBufferFull,1,NULL);
break;
}
g_j = (g_j +1)%BUFFER_SIZE;
LeaveCriticalSection(&g_cs);

//通知缓冲区已经为空
Sleep(50);

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\n",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\n");
InitializeCriticalSection(&g_cs);
//创建第二个自动复位事件，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_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]);
}

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

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。