Linux——多线程(四)

前言

 这是之前基于阻塞队列的生产消费模型中Enqueue的代码

    void Enqueue(const T &in) // 生产者用的接口{pthread_mutex_lock(&_mutex);while(IsFull())//判断队列是否已经满了{pthread_cond_wait(&_product_cond, &_mutex); //满的时候就在此情况下等待// 1. pthread_cond_wait调用是: a. 让调用进程等待 b. 自动释放曾经持有的_mutex锁}// 进行生产_bq.push(in);// 通知消费者来消费pthread_cond_signal(&_consumer_cond);pthread_mutex_unlock(&_mutex);}

缺点：

当一个线程往阻塞队列中插入时，必须要满足一个条件"临界资源还没满"，否则就需要放到条件变量的等待队列中去。

而判断临界资源是否为满需要先申请锁(检测临界资源的本质也是在访问临界资源)，然后再进入临界区访问临界资源，才能判断临界资源是否为满。

那么只要我们对临界资源整体加锁，就默认会对这个临界资源整体使用(吗？)。实际上可能是：一份临界资源被划分为多个不同的区域，而且运行多个线程同时访问不同的区域。

 在访问临界资源之前，我们无法知道临界资源的情况。

多个线程不能同时访问临界资源的不同区域。

1.信号量

1.1信号量的概念 

我们之前在学进程间通信时，简单介绍过信号量。 

信号量：信号量的本质其实是一计数器，这一计数器的作用是用来描述临界资源中资源数量的多少

申请信号量的本质其实就是：对临界资源中特定的小块资源的预定机制。(资源不一定被我持有，才是我的，只要我预定了，在未来的某个时间，就是我的)

 信号量也是一种互斥量，只要申请到信号量的线程，在未来一定能够拥有一份临界资源。

假如要让多个线程同时去访问一块划分为n个区域的临界资源：

创建一个信号量，值为n

每来一个访问临界资源的线程都要先去申请信号量(信号量的值，n--)，申请后才能访问

当n被减到0时说明临界资源中各个区域都有线程在访问资源，其它想要访问临界资源的线程就得阻塞等待，等这n个区域中的某个线程访问完将这个区域空出来才行(信号量的值，n++)

信号量解决了上面提到的问题：

线程不用访问临界资源就能知道资源的使用情况 (信号量申请成功就一定有资源可以使用，申请失败则说明条件不满足，只能阻塞等待)

注意：所有线程都得能看到信号量，信号量是一个公共资源，涉及到线程安全问题

信号量的基本操作就是对信号量进行++或--，而这两个操作时原子的

P操作：信号量--，就是在申请资源(此操作必须时原子的)

V操作：信号量++，返回资源(此操作也需是原子的)

1.2信号量的接口

信号量的使用需要引头文件：semaphore.h；还需要链接原生线程库-pthread 

sem_t sem;//创建信号量

初始化信号量

man sem_init

 参数：

sem:信号量指针

pshared:0表示线程间共享，非0表示进程间共享。(一般情况下为0)

value:信号量初始值，也就是计数器的值

返回值：类型int，成功返回0，失败返回-1，并将 errno 设置为指示错误

申请信号量，P操作，计数器--

man sem_wait

参数

sem:信号量指针

返回值：成功返回0，失败返回-1，设置errno

发布信号量，V操作，计数器++

man sem_post

参数

sem:信号量指针

返回值：成功返回0，失败返回-1，设置errno

信号量销毁

man sem_destroy

参数

sem:信号量指针

返回值：成功返回0，失败返回-1，设置errno

 2.基于环形队列的生产者消费者模型

POSIX信号量和SystemV信号量作用相同，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源的目的，但是POSIX可用于线程间同步

2.1分析

环形队列

 这里的环形队列用数组来模拟，取模来模拟其环状特性

当环形队列为空时，头尾都指向同一个位置；当环形队列为满时，头尾也指向同一个位置。这样不好判断为空或为满，可以通过加计数器或者标记位来判断满或空，也可以预留一个空位，作为满状态

但是我们现在有信号量这个计数器，就很简单的进行多线程间的同步过程

单生产和单消费两线程在访问环形队列时，生产者负责向环形队列中生产数据，消费者负责从环形队列中消费数据。

那么生产者和消费者什么时候会访问同一个位置呢？当环形队列为空/为满的时候

那么如果环形队列一定不为空&&一定不为满时，生产者、消费者的下标指向不是同一个位置

生产和消费的动作可以真正并发吗？是的 

环形队列的生产者消费者模型还需要两个必要条件：

1.生产者不能把消费者超过一个圈以上(当环形队列满了后，生产者继续生产，那么生产者生产的数据会覆盖消费者还未消费的，消费者就无法消费被覆盖的数据了)

2.消费者不能超过生产者(生产者还没生产，消费者无法消费。当消费者超过生产者时，消费者访问的区域无数据)

对于生产者而言，它最关心的是空间

空间资源可以定义一个信号量，用来统计空闲空间的个数

对于消费者而言，它最关心的是数据

数据资源也可以用一个信号量来统计数据个数

所以生产者每次访问临界资源之前，需要先申请空间资源的信号量，申请到才可以进行生产，不然就得老实的阻塞等待

消费者也一样，访问临界资源之前，要先申请数据资源的信号量，申请成功才能够去消费数据，不然还是阻塞等待

空间资源信号量的申请(P)由生产者进行，归还(V)由消费者进行

数据资源信号量的申请(P)由消费者进行，归还(V)由生产者进行

伪代码

生产者

P(room);//申请空间资源

//信号量申请成功，继续向下运行；失败则阻塞

ringbuffer[p_index] = x;

p_index++;

p_index%=10;

V(data);

消费者

P(data);//申请数据资源

//信号量申请成功——数据资源一定存在

out = ringbuffer[c_index];

c_index++;

c_index%=10;\

V(room);

2.2代码

ringqueue.hpp

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>template<typename T>
class RingQueue
{
private:void P(sem_t &sem)//申请信号量P操作{sem_wait(&sem);}void V(sem_t &sem)//发布信号量V操作{sem_post(&sem);}void Lock(pthread_mutex_t &mutex)//加锁{pthread_mutex_lock(&mutex);}void UnLock(pthread_mutex_t &mutex)//解锁{pthread_mutex_unlock(&mutex);}
public:RingQueue(int cap):_rq(cap),_cap(cap),_productor_step(0),_consumer_step(0){sem_init(&_room_sem,0,_cap);sem_init(&_data_sem,0,0);pthread_mutex_init(&_productor_mutex,nullptr);pthread_mutex_init(&_consumer_mutex,nullptr);}void Enqueue(const T&in){P(_room_sem);Lock(_productor_mutex);//开始生产_rq[_productor_step] = in;_productor_step %= _cap;//环形队列UnLock(_productor_mutex);V(_data_sem);}void Pop(T *out){P(_data_sem);Lock(_consumer_mutex);//消费*out = _rq[_consumer_step];_consumer_step++;_consumer_step%=_cap;UnLock(_consumer_mutex);V(_room_sem);}~RingQueue(){sem_destroy(&_room_sem);sem_destroy(&_data_sem);pthread_mutex_destroy(&_productor_mutex);pthread_mutex_destroy(&_consumer_mutex);}
private:std::vector<T> _rq;int _cap;int _productor_step;//生产者步数int _consumer_step;//消费者步数//定义信号量sem_t _room_sem;//空间信号量，生产者关心sem_t _data_sem;//数据信号量，消费者关心//锁pthread_mutex_t _productor_mutex;pthread_mutex_t _consumer_mutex;
};

thread.hpp

#include<iostream>
#include<signal.h>
#include<unistd.h>
#include<functional>
#include<pthread.h>namespace Thread_Module
{template <typename T>using func_t = std::function<void(T&)>;// typedef std::function<void(const T&)> func_t;template <typename T>class Thread{public:void Excute(){_func(_data);}public:Thread(func_t<T> func,T &data,const std::string &threadname = "none"):_threadname(threadname),_func(func),_data(data){}static void* threadrun(void *args)//线程函数{Thread<T> *self = static_cast <Thread<T>*>(args);self->Excute();return nullptr;}bool Start()//线程启动！{int n = pthread_create(&_tid,nullptr,threadrun,this);if(!n)//返回0说明创建成功{_stop = false;//说明线程正常运行return true;}else{return false;}}void Stop(){_stop = true;}void Detach()//线程分离{if(!_stop){pthread_detach(_tid);}}void Join()//线程等待{if(!_stop){pthread_join(_tid,nullptr);}}std::string threadname()//返回线程名字{return _threadname;}~Thread(){}private:pthread_t _tid;//线程tidstd::string  _threadname;//线程名T &_data;//数据func_t<T> _func;//线程函数bool _stop; //判断线程是否停止 为true(1)停止，为false(0)正常运行};
}

main.cc

#include "ringqueue.hpp"
#include "Thread.hpp"
#include<string>
#include<vector>
#include<unistd.h>
#include<functional>
#include<pthread.h>using namespace Thread_Module;void* consumer(RingQueue<int> &rq)
{while(true){int data;rq.Pop(&data);std::cout<<"消费一个数据:"<<data<<std::endl;sleep(1);}  
}void* productor(RingQueue<int> &rq)
{   int a = 1;while(true){rq.Enqueue(a);std::cout<<"生产一个数据 :"<<a<<std::endl;a++;}
}void Comm(std::vector<Thread<RingQueue<int>>> *threads,int num,RingQueue<int> &rq,func_t<RingQueue<int>> func)
{for(int i=0;i<num;i++){std::string name = "thread-"+std::to_string(i+1);threads->emplace_back(func,rq,name);}
}void ProductorStart(std::vector<Thread<RingQueue<int>>> *threads,int num,RingQueue<int> &rq)
{Comm(threads,num,rq,productor);
}void ConsumerStart(std::vector<Thread<RingQueue<int>>> *threads,int num,RingQueue<int> &rq)
{Comm(threads,num,rq,consumer);
}void StartAll(std::vector<Thread<RingQueue<int>>> &threads)
{for(auto &thread:threads){std::cout<<"Start:"<<thread.threadname()<<std::endl;thread.Start();}
}void WaitAllThread(std::vector<Thread<RingQueue<int>>> &threads)
{for(auto &thread:threads){thread.Join();}
}int main()
{RingQueue<int> *rq = new RingQueue<int>(10);std::vector<Thread<RingQueue<int>>> threads;ProductorStart(&threads,1,*rq);ConsumerStart(&threads,2,*rq);StartAll(threads);WaitAllThread(threads);return 0;
}