生产者消费者问题

生产者/消费者问题，也被称作有限缓冲问题。可以描述为∶两个或者更多的线程共享同一个缓冲区，其中一个或多个线程作为"生产者"会不断地向缓冲区中添加数据，另一个或者多个线程作为"消费者"从缓冲区中取走数据。

生产者/消费者模型关注的是以下几点:
1.生产者和消费者必须互斥的使用缓冲区
2.缓冲区空时，消费者不能读取数据；缓冲区满时，生产者不能添加数据

生产者消费者模型优点：

1.解耦: 因为多了一个缓冲区，所以生产者和消费者并不直接相互调用，这样生产者和消费者的代码发生变化，都不会对对方产生影响。这样其实就是把生产者和消费者之间的强耦合解开，变成了生产者和缓冲区，消费者和缓冲区之间的弱耦合

2.支持并发: 如果消费者直接从生产者拿数据，则消费者需要等待生产者生产数据，同样生产者需要等待消费者消费数据。而有了生产者/消费者模型，生产者和消费者可以是两个独立的并发主体。生产者把制造出来的数据添加到缓冲区，就可以再去生产下一个数据了。而消费者也是一样的，从缓冲区中读取数据，不需要等待生产者。这样，生产者和消费者就可以并发的执行。

3.支持忙闲不均: 如果消费者直接从生产者这里拿数据，而生产者生产数据很慢，消费者消费数据很快；或者生产者生产数据很多，消费者消费数据很慢。都会造成占用CPU的时间片白白浪费。生产者/消费者模型中，生产者只需要将生产的数据添加到缓冲区，缓冲区满了就不生产了。消费者从缓冲区中读取数据，缓冲区空了就不消费了，使得生产者/消费者的处理能力达到一个动态的平衡。

生产者消费者模型实现

假定缓冲池中有N个缓冲区，一个缓冲区只能存储一个int类型的数据。

定义互斥锁 mutex 实现对缓冲区的互斥访问；计数信号量sem_w_num用来表示空闲缓冲区的数量，其初值为N；计数信号量 sem_r_num用来表示有数据的缓冲区的数量，其初值为0

单生产者单消费者

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<semaphore.h>
#include<pthread.h>

#define BUFF_SIZE 6
int buff[BUFF_SIZE]={0};

int in=0;//生产着放置产品的位置
int out=0;//消费者取产品的位置

//信号量
sem_t sem_w_num;//缓冲区可写数量
sem_t sem_r_num;//缓冲区可读数量

//缓冲区加锁
pthread_mutex_t mutex;

void print()//打印缓冲区情况
{
    for(int i=0;i<BUFF_SIZE;i++)
    {
        printf("%d ",buff[i]);
    }
    printf("\n");
}
//生产者
void* product()
{
    while(1)
    {
        sleep(1);
        sem_wait(&sem_w_num);//满了就放不了了
        pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁
        in = in%BUFF_SIZE;
        buff[in]=rand()%10;
        printf("生产者在%d位置放了一个数据：%d\t",in,buff[in]);
        print();
        ++in;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
        sem_post(&sem_r_num);
    }
}
//消费者
void* prochase()
{
    while(1)
    {
        sleep(1);
        sem_wait(&sem_r_num);//空了就取不了了
        pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁
        out = out%BUFF_SIZE;
        printf("消费者在%d位置取了一个数据：%d\t",out,buff[out]);
        buff[out]=0;//读取之后数据就没有了
        print();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
        sem_post(&sem_w_num);
        ++out;
    }
}

int main()
{
    //初始化信号量
    sem_init(&sem_r_num,0,0);//可读
    sem_init(&sem_w_num,0,BUFF_SIZE);//可写
    //初始化锁
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    //线程
    pthread_t manufacturer;//生产者
    pthread_t customer;//消费者
    pthread_create(&manufacturer,NULL,(void*)product,NULL);
    pthread_create(&customer,NULL,(void*)prochase,NULL);

    //阻塞当前线程，直到这两个线程执行结束
    pthread_join(manufacturer, NULL);
    pthread_join(customer, NULL);

    //撤销信号量
    sem_destroy(&sem_r_num);
    sem_destroy(&sem_w_num);

    exit(0);
}

运行结果：

 多生产者多消费者

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<semaphore.h>
#include<pthread.h>

#define BUFF_SIZE 6
#define producernum 3 // 生产者数量
#define prochasenum 4//消费者数量
int buff[BUFF_SIZE]={0};

int producer_id =0;//生产者id
int prochase_id =0;//消费者id

int in=0;//生产着放置产品的位置
int out=0;//消费者取产品的位置

//信号量
sem_t sem_w_num;//缓冲区可写数量
sem_t sem_r_num;//缓冲区可读数量

//缓冲区加锁
pthread_mutex_t mutex;

void print()//打印缓冲区情况
{
    for(int i=0;i<BUFF_SIZE;i++)
    {
        printf("%d ",buff[i]);
    }
    printf("\n");
}

//生产者
void* product()
{
    int id=++producer_id;
    while(1)
    {
        sleep(1);
        sem_wait(&sem_w_num);//满了就放不了了
        pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁
        in = in%BUFF_SIZE;
        buff[in]=rand()%10;
        printf("生产者%d在%d位置放了一个数据：%d\t",id,in,buff[in]);
        print();
        ++in;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
        sem_post(&sem_r_num);
    }
}
//消费者
void* prochase()
{
    int id = ++prochase_id;
    while(1)
    {
        sleep(1);
        sem_wait(&sem_r_num);//空了就取不了了
        pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁
        out = out%BUFF_SIZE;
        printf("消费者%d在%d位置取了一个数据：%d\t",id,out,buff[out]);
        buff[out]=0;//读取之后数据就没有了
        print();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
        sem_post(&sem_w_num);
        ++out;
    }
}

int main()
{
    //初始化信号量
    sem_init(&sem_r_num,0,0);//可读
    sem_init(&sem_w_num,0,BUFF_SIZE);//可写
    //初始化锁
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    //线程
    pthread_t id1[producernum];//生产者
    pthread_t id2[prochasenum];//消费者
    for(int i=0;i<producernum;++i)
    {
        pthread_create(&id1[i],NULL,(void*)product,NULL);
    }
    for(int i=0;i<prochasenum;++i)
    {
        pthread_create(&id2[i],NULL,(void*)prochase,NULL);
    }

    //阻塞当前线程，直到这所有线程执行结束
    for(int i=0;i<producernum;++i)
    {
        pthread_join(id1[i], NULL);
    }
    for(int i=0;i<prochasenum;++i)
    {
        pthread_join(id2[i], NULL);
    }

    //撤销信号量
                                                                       
    sem_destroy(&sem_r_num);
    sem_destroy(&sem_w_num);

    exit(0);
}
                                            

运行结果：