【Linux | C++ 】基于环形队列的多生产者多消费者模型（Linux系统下C++ 代码模拟实现）

引言

在上一篇文章中，我们深入探讨了Linux操作系统中的POSIX信号量，这是一个强大的同步机制，用于协调进程或线程对共享资源的访问。通过对信号量的深入理解和应用，我们学习了如何有效地解决并发编程中的竞争条件，确保程序的稳定性和效率。随着并发编程技术的不断深入，理解和掌握更多同步模型对于开发高性能、可靠的软件系统变得尤为重要。因此，本篇文章将继续我们的并发编程之旅，引入一个经典且实用的同步模型——基于环形队列的生产者消费者模型。

在本文中，我们将详细探讨基于环形队列的生产者消费者模型的设计和实现。我们将介绍环形队列的数据结构，分析生产者和消费者之间的同步机制，探索如何利用前文提到的POSIX信号量以及其他同步工具（如互斥锁）来实现生产者和消费者之间高效、安全的数据交换。通过具体的代码示例和案例分析，读者将能够深入理解生产者消费者模型的工作原理，掌握如何在实际项目中设计和实现基于环形队列的高效同步模型。

探索基于环形队列的生产者消费者模型，不仅能够加深我们对并发编程同步机制的理解，还能够提升我们解决实际问题的能力。让我们一起继续并发编程的探索之旅，解锁更多的编程技巧和知识。

一、生产者消费者模型

生产者消费者模型是并发编程中一个经典且重要的问题模型，它描述了两类主体——生产者（Producer）和消费者（Consumer）在并发环境下对共享资源（通常是缓冲区或队列）的访问模式。生产者负责生成数据并将其放入缓冲区，而消费者则从缓冲区取出数据进行处理。该模型的核心在于解决生产者和消费者之间的同步与通信问题，保证数据在生产和消费时的一致性和可用性，同时避免资源的冲突和浪费。对于希望深入了解生产者消费者模型的读者，我们在之前的内容中有所介绍——链接：⭕生产者消费者模型

通过上述简介，希望读者能够对生产者消费者模型有一个初步的认识和理解。在并发编程的实践中，该模型不仅是一个常见的问题场景，也提供了一种思考并发问题的方法论，对于提高编程技能和系统设计能力都有重要意义。

二、环形队列简介

环形队列是一种固定大小的、使用数组实现的队列数据结构，特别在于其首尾相连的循环特性。这种结构允许当数组达到其容量上限时，新加入的元素可以放置在数组的开始位置（如果那里有空位）。环形队列的这一设计使得它在空间利用和操作效率上具有显著优势，尤其适用于有固定缓冲区需求的场景。

🚩主要特点包括：

• 固定大小：一旦创建，队列的大小就固定不变。
• 高效操作：入队和出队操作都非常高效，因为它们仅涉及指针的简单移动。
• 两个指针：使用头指针和尾指针来分别追踪队列的第一个和最后一个元素。

环形队列广泛应用于操作系统、网络通信、生产者消费者模型等多个领域，特别是在需要高效管理固定缓冲区资源的场合。实现环形队列时，关键在于正确管理头尾指针的位置，并准确判断队列的空或满状态。

三、基于环形队列的生产者消费者模型（C++ 代码模拟实现）

⭕Makefile文件

ring_queue:testMain.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:rm -f ring_queue

这段代码是一个Makefile脚本，用于编译和清理一个名为ring_queue的项目。

⭕ . h 头文件

✅sem.hpp

// 防止头文件重复包含的预处理指令。
#ifndef _SEM_HPP_
#define _SEM_HPP_// 引入输入输出流库，虽然在此代码中未直接使用，可能为后续扩展预留。
#include <iostream>
// 引入POSIX信号量的头文件。
#include <semaphore.h>// 定义一个类 Sem。
class Sem
{
public:// 构造函数，接收一个整数value作为信号量的初始值。Sem(int value){// 初始化信号量，其中&sem_是信号量对象的地址，// 0表示信号量是当前进程的局部信号量，// value是信号量的初始值。sem_init(&sem_, 0, value);}// p操作，也称为wait操作，用于减少信号量的值。// 如果信号量的值为0，则调用此方法的线程将阻塞，直到信号量的值大于0。void p(){sem_wait(&sem_);}// v操作，也称为signal操作，用于增加信号量的值。// 如果有其他线程因为等待此信号量而阻塞，则它们中的一个将被唤醒。void v(){sem_post(&sem_);}// 析构函数，用于销毁信号量。~Sem(){sem_destroy(&sem_);}private:// 私有成员变量，存储信号量对象的实例。sem_t sem_;
};// 预处理指令的结束标志。
#endif

这个Sem类提供了简单的接口来进行信号量的基本操作：初始化（构造函数）、等待（p方法）、信号（v方法）和销毁（析构函数）。通过这个类，可以更方便地在C++项目中使用POSIX信号量进行同步操作。

✅ringQueue.hpp

// 防止头文件重复包含的预处理指令。
#ifndef _Ring_QUEUE_HPP_
#define _Ring_QUEUE_HPP_// 引入所需的头文件。
#include <iostream>
#include <vector>
#include <pthread.h>
#include "sem.hpp"// 定义一个全局常量作为队列的默认大小。
const int g_default_num = 5;// 定义一个模板类RingQueue，用于实现环形队列。
template<class T>
class RingQueue
{
public:// 构造函数，参数default_num指定队列的大小，默认为g_default_num。RingQueue(int default_num = g_default_num): ring_queue_(default_num), num_(default_num),c_step(0),p_step(0),space_sem_(default_num), // 初始化空间信号量，表示可用空间数量。data_sem_(0) // 初始化数据信号量，表示队列中的数据项数量。{pthread_mutex_init(&clock, nullptr); // 初始化消费者互斥锁。pthread_mutex_init(&plock, nullptr); // 初始化生产者互斥锁。}// 析构函数，销毁互斥锁。~RingQueue(){pthread_mutex_destroy(&clock);pthread_mutex_destroy(&plock);}// push方法，生产者调用，向队列中添加元素。void push(const T &in){space_sem_.p(); // 等待有空间可写。pthread_mutex_lock(&plock); // 获取生产者互斥锁。ring_queue_[p_step++] = in; // 将元素添加到队列中。p_step %= num_; // 环形逻辑，如果到达末尾则回到开始。pthread_mutex_unlock(&plock); // 释放生产者互斥锁。data_sem_.v(); // 增加数据信号量，表示有新数据可读。}// pop方法，消费者调用，从队列中取出元素。void pop(T *out){data_sem_.p(); // 等待有数据可读。pthread_mutex_lock(&clock); // 获取消费者互斥锁。*out = ring_queue_[c_step++]; // 从队列中取出元素。c_step %= num_; // 环形逻辑，如果到达末尾则回到开始。pthread_mutex_unlock(&clock); // 释放消费者互斥锁。space_sem_.v(); // 增加空间信号量，表示有空间可写。}private:std::vector<T> ring_queue_; // 使用vector存储队列元素。int num_; // 队列的大小。int c_step; // 消费者在队列中的当前位置。int p_step; // 生产者在队列中的当前位置。Sem space_sem_; // 控制队列空间的信号量。Sem data_sem_; // 控制队列中数据的信号量。pthread_mutex_t clock; // 消费者互斥锁。pthread_mutex_t plock; // 生产者互斥锁。
};#endif   // 预处理指令的结束标志。

这个环形队列的实现利用信号量space_sem_和data_sem_来控制队列的空间和数据，确保生产者不会在队列满时添加元素，消费者不会在队列空时尝试取出元素。同时，通过两个互斥锁clock和plock分别保护消费者和生产者的操作，防止并发环境下的数据竞争问题。这样的设计使得RingQueue既能高效地管理数据，又能保证线程安全。

⭕ . cpp 文件

✅testMain.cpp

// 包含RingQueue类的头文件。
#include "ringQueue.hpp"
#include <cstdlib> // 包含标准库，用于rand()等函数。
#include <ctime>   // 用于time()函数。
#include <sys/types.h> // 包含类型定义，例如pid_t。
#include <unistd.h>    // 包含各种常量和类型，并声明了各种函数，例如sleep()和getpid()。// 消费者线程的工作函数。
void *consumer(void *args)
{RingQueue<int> *rq = (RingQueue<int> *)args; // 将传入的参数转换为RingQueue指针。while(true){sleep(1); // 休眠1秒，模拟处理时间。int x;rq->pop(&x); // 从环形队列中取出一个元素。// 打印消费信息，包括消费的值和当前线程ID。std::cout << "消费: " << x << " [" << pthread_self() << "]" << std::endl;}
}// 生产者线程的工作函数。
void *productor(void *args)
{RingQueue<int> *rq = (RingQueue<int> *)args; // 将传入的参数转换为RingQueue指针。while(true){int x = rand() % 100 + 1; // 生成一个1到100之间的随机数。// 打印生产信息，包括生产的值和当前线程ID。std::cout << "生产: " << x << " [" << pthread_self() << "]" << std::endl;rq->push(x); // 将生成的随机数放入环形队列中。}
}int main()
{srand((uint64_t)time(nullptr) ^ getpid()); // 设置随机数种子，确保每次运行结果不同。RingQueue<int> *rq = new RingQueue<int>(); // 创建一个RingQueue对象。pthread_t c[3], p[2]; // 定义线程ID数组，3个消费者和2个生产者。// 创建消费者线程。pthread_create(&c[0], nullptr, consumer, (void*)rq);pthread_create(&c[1], nullptr, consumer, (void*)rq);pthread_create(&c[2], nullptr, consumer, (void*)rq);// 创建生产者线程。pthread_create(&p[0], nullptr, productor, (void*)rq);pthread_create(&p[1], nullptr, productor, (void*)rq);// 等待所有线程完成。for(int i = 0; i < 3; i++) pthread_join(c[i], nullptr);for(int i = 0; i < 2; i++) pthread_join(p[i], nullptr);return 0; // 程序结束。
}

这段代码展示了如何使用前面定义的RingQueue类来创建一个多生产者-多消费者模型。在这个模型中，生产者生成随机数并将其放入环形队列，而消费者从队列中取出这些数字并处理它们。

首先通过srand()设置随机数种子，以确保每次程序运行时生成的随机数序列不同。然后，它创建了一个RingQueue<int>对象，用于存储生产者线程生成的整数。

接着，代码创建了3个消费者线程和2个生产者线程。每个线程都被分配了一个工作函数：生产者调用productor函数，而消费者调用consumer函数。这些线程通过pthread_create函数创建，并将RingQueue对象作为参数传递给它们的工作函数。

最后，main函数使用pthread_join等待所有线程完成，以确保程序在所有线程都执行完毕后才退出。

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