生产者—消费者的Linux多线程实现

1、生产者消费者的 Linux 多线程实现1 线程基本概念1.1 进程和线程 可执行文件由指令和数据组成。进程就是 在计算机上运行的可执行文件针对特定的输入数据的一个实例， 同一个可执行程序文件如果操作不同的输入数据就是两个不同 的进程。线程是进程的一条执行路径，它包含独立的堆栈和CPU寄存 器状态， 每个线程共享其所附属的进程的所有的资源， 包括打开 的文件、页表（因此也就共享整个用户态地址空间）、信号标识 及动态分配的内存等等。Linux 中线程调度是由内核调度程序完成的，每个线程有自 己的 ID 号。与进程相比，它们消耗的系统资源较少、创建较快、 相互间的通信也比较容易。 存在于同一进程中的

2、线程会共享一些 信息。同时作为一个独立的线程， 它们又拥有一些区别于其他线 程的信息，包括线程ID、寄存器集合（如程序计数器和堆栈指 针）、堆栈、错误号、信号掩码以及线程优先权。线程和进程的关系是： 线程是属于进程的， 线程运行在进程 空间内， 同一进程所产生的线程共享同一物理内存空间， 当进程 退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。1.2 线程优点 它是一种非常“节俭”的多任务操作方式。 运行于一个进 程中的多个线程，使用的是同一个地址空间，共享大部分数据， 不需要太多的空间启动一个线程， 而且，线程间彼此切换所需的 时间也比较短。 线程间方便的通信机制。 由于同一进程下的线 程之间

3、共享数据空间， 所以一个线程的数据可以直接为其它线程 所用，这不仅快捷，而且方便。使多 CPU系统更加有效。操作 系统会保证当线程数不大于 CPU数目时，不同的线程运行于不同 的CPU上。改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑 分为多个线程， 成为几个独立或半独立的运行部分， 便于理解和 修改。2 生产者 - 消费者问题2.1问题概述 生产/消费者在有界缓冲上操作，它利用N个 字节的共享内存作为有界循环缓冲区， 生产者线程不断顺序地将 0到 1000的数字写入共享的循环缓冲区，同时消费者线程不断 地从共享的循环缓冲区读取数据。 利用写一个数据模拟放一个产 品，利用读一个数据模拟消费一个产品

4、。 当缓冲区空时消费者应 阻塞睡眠， 而当缓冲区满时生产者应当阻塞睡眠。 一旦缓冲区中 有空单元， 生产者线程就向空单元中写入数据。 一旦缓冲区中有 未读过的数据，消费者线程就从该单元中读出数据。2.2 算法分析 生产者线程向循环缓冲区中写入数据，消费 者线程从缓冲区中读取数据， 生产者线程向缓冲区中写入数据时 消费者线程不能访问缓冲区， 消费者线程从缓冲区中读取数据时 生产者线程也不能访问缓冲区， 既读的时候不能写， 写的时候不 能读，得保证缓冲区这一临界资源同一时间只能被一个线程访 问；缓冲区满的时候不能生产，空的时候不能消费。2.2.1 主程序：初始化结构体 prodcons 中的各个参

5、数；建 立生产者、消费者线程；等待线程结束。222生产者线程：设初始写入的数据 N为0;判断N小 于1000是否成立；如果不成立，循环缓冲区插入OVER如果成立，向循环缓冲区生产既写入 N并打印；重复该过程直到N=1000 为止。生产产品的函数 put :获得互斥锁；判断循环缓冲池是 否满，如果满将生产者线程阻塞到满的条件变量 b-notfull 上， 并将互斥锁释放，让消费者线程读取数据。如果不满，向缓冲中 写入数据；如果有线程阻塞到环境变量 b-empty ，将该线程唤 醒，同时释放互斥锁。如果没有线程阻塞到条件变量 b-empty 上，就直接释放互斥锁。2.2.3 消费者线程： 从循环缓

6、冲区中消费既读取数据并打 印；判断读取的数据是否是结束标志 over ，如果是退出。如果 不是，重复该过程，直到读到的数据是结束标志 over 。消费 产品的函数 get ：获得互斥锁；判断循环缓冲池是否空，如果空 将生产者线程阻塞到空的条件变量 b-empty 上，并将互斥锁释 放，让生产者线程写数据。如果不空，从缓冲中读取数据；如果 有线程阻塞到环境变量 b-notfull 上，将该线程唤醒，同时释 放互斥锁。如果没有线程阻塞到条件变量 b-notfull 上，就直 接释放互斥锁。2.3 数据结构struct prodcons int bufferBUFFER_SIZE ； /* the

7、actual data */ pthread_mutex_t lock ； /* mutex ensuring exclusive access to buffer */int readpos ， writepos ； /* positions for reading and writing */ pthread_cond_t notempty ； /* signaled when buffer is not empty */pthread_cond_t notfull ；/* signaled whenbuffer is not full */；缓冲区采用循环缓冲区。缓冲区满的条件( b-w

8、ritepos +1)% BUFFER_SIZE= b-readpos 。缓冲区空的条件b-writepos= b-readpos 。2.4 相关函数调用2.4.1 线程函数创建线程函数： 原型： int pthread_create(pthread_t* thread ， const pthread_attr_t * attr ， void *( * start )（ void * ）， void * arg ）；生产者 - 消费者问题中创建的线程：创建 producer 线程： pthread_create （&th_a ， NULL， producer ， 0 ）；创建 consumer

9、 线程： pthread_create (&th_b ， NULL， consumer， 0 ）；Pthread_create 函数中第一个参数为指向线程标识符的指 针，第二个参数用来设置线程属性，两个线程该参数均为NULL，为系统配置的默认属性；第三个参数是线程运行函数的起始地 址，最后一个参数是运行函数的参数。当创建线程成功时，函数 返回 0 。 等待线程结束函数 原型： extern int pthread_join（ pthread_t _th ， void * * _thread_return）；第一个参数为被等待的线程标识符， 第二个参数为一个用户 定义的指针，它可以用来存储被等待

10、线程的返回值。生产者 -消费者问题中等待结束的线程：pthread_join （ th_a ， &retval ）； pthread_join （th_b ， &retval ）； 终止线程 原型： extern void pthread_exit （ void * status ）；函数参数 status 是指向线程返回值得指针。2.4.2 互斥锁函数 一个进程中的多个线程是共享同一段资 源的，由于线程对资源的竞争引出了锁。 互斥锁用来保证一段时 间内只有一个线程在执行一段代码。 其中 mutex 是一种简单的加 锁方法，这个互斥锁只有两种状态，那就是上锁和解锁。在某一 时刻，只能有一个线程

11、取得这个互斥上的锁， 拥有上锁状态的线 程可以对共享资源进行操作，而其他线程在该线程未解锁之前， 会被挂起，直到上锁的线程解开锁。互斥锁初始化函数：int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t* mutex ，const pthread_mutexattr_t* mutexattr )； 第一个参数为指向互斥锁的指针，第二个参数为锁的属性， 该问题中设为NULL为默认分配的属性。互斥锁上锁函数：int pthread_mutex_lock( pthread_mutex_t* mutex )；pthread_mutex_lock 声明开始用互斥锁上锁，此后的代码

12、 直至调用 pthread_mutex_unlock 为止，均被上锁，即同一时间 只能被一个线程调用执行。条件变量：关于互斥锁的一个很显然的不足之处就是它仅存 在两种状态： 即锁定和非锁定。 实际上它的这一缺点是可以根据 条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法 来改善的，条件变量经常与互斥锁同时使用。 条件变量初始化函数。原型：int pthread_cond_init ( pthread_cond_t * cond， const pthread_condattr_t * cond_attr )；第 1个函数参数表示要初始化的条件变量对象， 第 2个参数 是条件变量的属性。生产

13、者 -消费者问题中用到两个条件变量 b-notempty 和 b-notfull 。其中 b-notempty 是缓冲区满的时 候阻塞生产者线程的条件变量， b-notfull 是缓冲区空的时候阻塞消费者线程的条件变量。两个条件变量均应初始化。 线程阻塞函数。原型：extern int pthread_cond_wait (pthread_cond_t * cond ， pthread_mutex_t * mutex )；第 1 个参数就是要等待的条件变量， 第 2 个参数则是解锁 的对象。生产者 -消费者中用到的线程阻塞函数：pthread_cond_wait (&b-notfull ， &b-lock )；既生产 者线程因为循环缓冲区满将自己阻塞到条件变量 b-notfull 上，同时释放锁 &b-lock ，让消费者线程去执行。pthread_cond_wait ( &b-notempty ， &b-lock )；既消费 者线程因为循环缓冲区空将自己阻塞到条件变量 b-notempty 上，同时释放锁 &b-lock ，让生产者线程去生产。 线程唤醒函数：原型：extern int pthread_cond_signal( pthread_cond_t *cond)；