Linux 操作系统：基于环形队列的生产者消费者模型

一、前言

 环形队列采用数组模拟，用模运算来模拟环状特性。和基于阻塞队列的生产者消费者模型不同的是，环形队列将公共资源分成多份使用，而阻塞队列则是将公共资源当作一个整体使用！！

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二、大致框架

 毫无疑问，我们首先需要一个数组来模拟环形队列，并且环形队列的大小也需指明！由于我们是将公共资源（即环形队列）分为多个小块单独使用，生产者向环形队列中插入数据，生产者向环形队列中取数据。这也意味着生产者和消费者的步数不一致，我们需要两个变量分别记录生产者和消费者的运动下标。

 对于生产者来说，空间是资源；对于消费者来所，数据是资源。并且生产者不能把消费者套一个圈（此时队列已经为满）；消费者不能超越生产者（此时队列已经为空）。由于环形结构起始状态和结束状态都是一样的，不好判断为空或者为，所以我们引入两把计数器分别表示公共资源的个数，即信号量！！（初始时，生产者空间资源为整个数组，消费者数据资源为0）

 生产者消费者模型是多生产者多消费者间的消费模型。这也意味者可能存在多个生产者或多个消费者并发访问公共资源，会导致多执行流数据不一致问题！所以我们要为生产者和消费者各自维护一把锁！

【大致框架】：

const int defaultSize = 5; //环形队列大小默认值template <class T>
class RingQueue
{
public:RingQueue(int size = defaultSize): _size(size), _ringqueue(size), _p_step(0), _c_step(0){sem_init(&_data_sem, 0, 0);sem_init(&_space_sem, 0, size);pthread_mutex_init(&_mutex_p, nullptr);pthread_mutex_init(&_mutex_c, nullptr);}~RingQueue(){sem_destroy(&_data_sem);sem_destroy(&_space_sem);pthread_mutex_destroy(&_mutex_c);pthread_mutex_destroy(&_mutex_p);}private:std::vector<T> _ringqueue;int _size;int _p_step; // 生产者int _c_step; // 消费者sem_t _data_sem;  // 消费者使用sem_t _space_sem; // 生产者使用pthread_mutex_t _mutex_p; // 生产者使用pthread_mutex_t _mutex_c; // 消费者使用
};

二、P操作、V操作

 由于后续生产者和消费者都需要进行P（申请信号量）、V(释放信号量)。所以我们在这对PV进行封装！
【具体如下】：

 void P(sem_t &sem) // 申请信号量{sem_wait(&sem); // 等待信号量，等待成功会将信号量的值减1}void V(sem_t &sem) // 释放信号量{sem_post(&sem); // 发布信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了。将信号量值加1}

三、生产者生产数据

 生产者要想环形队列中插入数据，首先需要P操作申请空间资源。一旦申请成功，就意味着完成了对空间资源的预定。换而言之环形队列还未满，还可以继续插入数据。为了防止多生产并发访问环形队列，记下来就是申请锁了。

 只有两者都成功了，生产者才能向环形队列中Push数据。插入成功后，更新生产者步数下标即可！

【具体代码】：

void Push(T &in)
{P(_space_sem);{// LockGuard具体代码查看前言链接LockGuard lock(&_mutex_p);// RAII思想对锁进行了疯转，代替注释的显示加锁和解锁操作// pthread_mutex_lock(&_mutex_p);_ringqueue[_p_step] = in;_p_step++;_p_step %= _size;// pthread_mutex_unlock(&_mutex_p);}V(_data_sem);
}

四、生产者获取数据

 我们给Pop函数传递一个输出型参数，将生产者需要的数据带出！

 和消费行为一样，生产者首先需要生产空间资源（即空间信号量）、锁。然后将环形队列中的数据赋值个输出型产生，然后更新步数下标即可！

【具体代码】：

void Pop(T *out)
{P(_data_sem);{// LockGuard具体代码查看前言链接LockGuard lock(&_mutex_c);// RAII思想对锁进行了疯转，代替注释的显示加锁和解锁操作//  pthread_mutex_lock(&_mutex_c);*out = _ringqueue[_c_step];_c_step++;_c_step %= _size;// pthread_mutex_unlock(&_mutex_c);}V(_space_sem);
}

五、代码测试

 这里我们创建3个生产者和2个消费者。生产者插入的数据为2个随机数和随机运算符构造的任务Task；消费者直接获取任务执行！（消费者启动时先睡眠3秒，让生产者将环形队列填充满后在消费）
【具体代码】：

void *Productor(void *args)
{RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);while(true){// sleep(1);int data_x = rand() % 10 + 1;usleep(1000);int data_y = rand() % 10 + 1;usleep(1000);char op = opers[rand() % opers.size()];Task t(data_x, data_y, op);rq->Push(t);std::cout << "Productor:" << t.PrintTask() << std::endl;}
}void *Consumer(void *args)
{sleep(3);RingQueue<Task> *rq = static_cast<RingQueue<Task> *>(args);while(true){sleep(1);Task t;rq->Pop(&t);t();std::cout << "Consumer: " << t.PrintResult() << std::endl;}
}int main()
{srand(time(nullptr) ^ pthread_self() ^ getpid());RingQueue<Task> rq;pthread_t p[3], c[2];pthread_create(&p[0], nullptr, Productor, &rq);pthread_create(&p[1], nullptr, Productor, &rq);pthread_create(&p[2], nullptr, Productor, &rq);pthread_create(&c[0], nullptr, Consumer, &rq);pthread_create(&c[1], nullptr, Consumer, &rq);pthread_join(p[0], nullptr);pthread_join(p[1], nullptr);pthread_join(p[2], nullptr);pthread_join(c[0], nullptr);pthread_join(c[1], nullptr);return 0;
}

【运行结果】：

六、所有代码

gitee：基于环形队列的生产者消费者模型