多线程编程之：实验内容——“生产者消费者”实验

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        9.3  实验内容——“生产者消费者”实验

        1．实验目的

        “生产者消费者”问题是一个著名的同时性编程问题的集合。通过学习经典的“生产者消费者”问题的实验，读者可以进一步熟悉Linux中的多线程编程，并且掌握用信号量处理线程间的同步和互斥问题。
         
        2．实验内容

        “生产者—消费者”问题描述如下。
        有一个有限缓冲区和两个线程：生产者和消费者。他们分别不停地把产品放入缓冲区和从缓冲区中拿走产品。一个生产者在缓冲区满的时候必须等待，一个消费者在缓冲区空的时候也必须等待。另外，因为缓冲区是临界资源，所以生产者和消费者之间必须互斥执行。它们之间的关系如图9.4所示。

       

        图9.4  生产者消费者问题描述

         
        这里要求使用有名管道来模拟有限缓冲区，并且使用信号量来解决“生产者—消费者”问题中的同步和互斥问题。
         
        3．实验步骤

        （1）信号量的考虑。
        这里使用3个信号量，其中两个信号量avail和full分别用于解决生产者和消费者线程之间的同步问题，mutex是用于这两个线程之间的互斥问题。其中avail表示有界缓冲区中的空单元数，初始值为N；full表示有界缓冲区中非空单元数，初始值为0；mutex是互斥信号量，初始值为1。
         
        （2）画出流程图。
        本实验流程图如图9.5所示。

       

        图9.5  “生产者—消费者”实验流程图

         
        （3）编写代码
        本实验的代码中采用的有界缓冲区拥有3个单元，每个单元为5个字节。为了尽量体现每个信号量的意义，在程序中生产过程和消费过程是随机（采取0～5s的随机时间间隔）进行的，而且生产者的速度比消费者的速度平均快两倍左右（这种关系可以相反）。生产者一次生产一个单元的产品（放入“hello”字符串），消费者一次消费一个单元的产品。
         
        /*producer-customer.c*/
        #include <stdio.h>
        #include <stdlib.h>
        #include <unistd.h>
        #include <fcntl.h>
        #include <pthread.h>
        #include <errno.h>
        #include <semaphore.h>
        #include <sys/ipc.h>
         
        #define MYFIFO            "myfifo"     /* 缓冲区有名管道的名字 */
        #define BUFFER_SIZE       3            /* 缓冲区的单元数 */
        #define UNIT_SIZE         5             /* 每个单元的大小 */
        #define RUN_TIME          30            /* 运行时间 */
        #define DELAY_TIME_LEVELS     5.0     /* 周期的最大值 */
         
        int fd;
        time_t end_time;
        sem_t mutex, full, avail;              /* 3个信号量 */
         
        /*生产者线程*/
        void *producer(void *arg)
        {
             int real_write;
             int delay_time = 0;
             
             while(time(NULL) < end_time)
             {
                  delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX) / 2.0) + 1;
                  sleep(delay_time);
                  /*P操作信号量avail和mutex*/
                  sem_wait(&avail);
                  sem_wait(&mutex);
                  printf("\nProducer: delay = %d\n", delay_time);
                  /*生产者写入数据*/
                  if ((real_write = write(fd, "hello", UNIT_SIZE)) == -1)
                  {
                       if(errno == EAGAIN)
                       {
                            printf("The FIFO has not been read yet.Please try later\n");
                       }
                  }
                  else
                  {
                       printf("Write %d to the FIFO\n", real_write);
                  }
                  
                  /*V操作信号量full和mutex*/
                  sem_post(&full);
                  sem_post(&mutex);
             }     
             pthread_exit(NULL);
        }
        /* 消费者线程*/
        void *customer(void *arg)
        {
             unsigned char read_buffer[UNIT_SIZE];
             int real_read;
             int delay_time;
             
             while(time(NULL) < end_time)
             {
                  delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)) + 1;
                  sleep(delay_time);
         
                  /*P操作信号量full和mutex*/
                  sem_wait(&full);
                  sem_wait(&mutex);
                  memset(read_buffer, 0, UNIT_SIZE);
                            printf("\nCustomer: delay = %d\n", delay_time);
         
                  if ((real_read = read(fd, read_buffer, UNIT_SIZE)) == -1)
                  {
                       if (errno == EAGAIN)
                       {
                           printf("No data yet\n");
                       }
                  }
                  printf("Read %s from FIFO\n", read_buffer);
                  /*V操作信号量avail和mutex*/
                  sem_post(&avail);
                  sem_post(&mutex);
             }
             pthread_exit(NULL);
        }
         
        int main()
        {
             pthread_t thrd_prd_id,thrd_cst_id;
             pthread_t mon_th_id;
             int ret;
             
             srand(time(NULL));
             end_time = time(NULL) + RUN_TIME;
             /*创建有名管道*/
             if((mkfifo(MYFIFO, O_CREAT|O_EXCL) < 0) && (errno != EEXIST))
             {
                  printf("Cannot create fifo\n");
                  return errno;
             }               
             /*打开管道*/
             fd = open(MYFIFO, O_RDWR);
             if (fd == -1)
             {
                  printf("Open fifo error\n");
                  return fd;
             }     
             /*初始化互斥信号量为1*/
             ret = sem_init(&mutex, 0, 1);
             /*初始化avail信号量为N*/
             ret += sem_init(&avail, 0, BUFFER_SIZE);
             /*初始化full信号量为0*/
             ret += sem_init(&full, 0, 0);
             if (ret != 0)
             {
                  printf("Any semaphore initialization failed\n");
                  return ret;
             }
             /*创建两个线程*/
             ret = pthread_create(&thrd_prd_id, NULL, producer, NULL);
             if (ret != 0)
             {
                  printf("Create producer thread error\n");
                  return ret;
             }
             ret = pthread_create(&thrd_cst_id, NULL, customer, NULL);
             if(ret != 0)
             {
                  printf("Create customer thread error\n");
                  return ret;
             }
             pthread_join(thrd_prd_id, NULL);
             pthread_join(thrd_cst_id, NULL);
             close(fd);
             unlink(MYFIFO);
             return 0;
        }
         
        4．实验结果

        运行该程序，得到如下结果：
         
        $ ./producer_customer
        ……
        Producer: delay = 3
        Write 5 to the FIFO
         
        Customer: delay = 3
        Read hello from FIFO
         
        Producer: delay = 1
        Write 5 to the FIFO
         
        Producer: delay = 2
        Write 5 to the FIFO
         
        Customer: delay = 4
        Read hello from FIFO
         
        Customer: delay = 1
        Read hello from FIFO
         
        Producer: delay = 2
        Write 5 to the FIFO
        ……