进程同步-经典同步问题

简单生产者消费者模型

#include <iostream>           
#include <queue>
#include <thread>             
#include <mutex> 
#include<atomic>
#include <windows.h>             
#include <condition_variable> 
using namespace std;
atomic<int> x = 0;
mutex mtx,mx;
// 条件变量是一种同步机制，要和mutex以及lock一起使用
condition_variable buffer_not_full, buffer_not_empty; 

//队列缓存区
queue<int> buffer;     
int maxSize = 20;

void consumer(int id)
{
    while (1)
    {
        //间隔1s生产一个
        Sleep(1);
        //加锁
        unique_lock<mutex> lck(mtx);
        //队列为空的时候挂起消费者线程
        while (buffer.size() == 0)
        {
            {
                lock_guard<mutex> lock(mx);
                cout << "buffer is empty" << endl;
            }
            buffer_not_empty.wait(lck);             
        }
        
        cout << "consumer " << id << ": " << buffer.front() << endl;
        buffer.pop();
        cout << "size=" << buffer.size() << '
';

        buffer_not_full.notify_all();                               
        lck.unlock();
    }
}

void producer(int id)
{
    while (1)
    {
        //控制生产速度
        Sleep(5); 
        unique_lock<mutex> lck(mtx);
        //队列满，停止生产
        while (buffer.size() == maxSize)
        {
            {
                lock_guard<mutex> lock(mx);
                cout << "buffer is full" << endl;
            }
            buffer_not_full.wait(lck);
        }
        // this_thread::get_id() 返回一个线程 标识
        cout << "producer " << id << ": " << x << endl;
        buffer.push(x++);
        cout << "size=" << buffer.size() << '
';
        // notify(wake up) consumer when buffer.size() != 0 is true
        buffer_not_empty.notify_all();                                  
        lck.unlock();
    }
}

int main()
{
    //声明 生产者和消费者个2个线程
    thread p1[2], p2[2];

    //创建线程
    for (int i = 0; i < 2; ++i)
    {
        p1[i] = thread(consumer, i + 1);
        p2[i] = thread(producer, i + 1);  //thread：第一个参数是task任务，第二个参数是task函数的参数 
    }

    //启动线程
    for (int i = 0; i < 2; ++i)
    {
        p2[i].join();
        p1[i].join();
    }

    system("pause");
    return 0;
}

使用环形缓存队列的生产者-消费者模型

#include <cstdlib>
#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

static const int kItemRepositorySize = 10; // Item buffer size.
static const int kItemsToProduce = 1000;   // How many items we plan to produce.
std::mutex mutex;


//单生产者--单消费者
namespace SS
{
    struct ItemRepository
    {
        // 产品缓冲区, 配合 read_position 和 write_position 模型环形队列.
        int item_buffer[kItemRepositorySize]; 
        // 消费者读取产品位置.
        size_t read_position; 
        // 生产者写入产品位置.
        size_t write_position;
        // 互斥量,保护产品缓冲区（同一时间只能被生产者或消费者使用）
        std::mutex mtx; 
        // 条件变量, 指示产品缓冲区不为满.
        std::condition_variable repo_not_full; 
        // 条件变量, 指示产品缓冲区不为空.
        std::condition_variable repo_not_empty; 
    } gItemRepository; // 产品库全局变量, 生产者和消费者操作该变量.

    typedef struct ItemRepository ItemRepository;

    //生产者
    void ProduceItem(ItemRepository * ir, int item)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
        //判断缓存区是否已满
        while (((ir->write_position + 1) % kItemRepositorySize)
            == ir->read_position)
        { //缓存区满的时候，生产者需要等待缓存区不为满的时候才能继续生成，挂起等待
            {
                std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
                std::cout << "缓冲区满，等待缓冲区不满
";
            }
            (ir->repo_not_full).wait(lock); // 生产者等待"产品库缓冲区不为满"这一条件发生.
        }

        (ir->item_buffer)[ir->write_position] = item; // 写入产品.
        (ir->write_position)++; // 写入位置后移.

        // 写入位置若是在队列最后则重新设置为初始位置.
        if (ir->write_position == kItemRepositorySize) 
            ir->write_position = 0;

        (ir->repo_not_empty).notify_all(); // 通知消费者产品库不为空.
    }

    //消费者
    int ConsumeItem(ItemRepository *ir)
    {
        int data;
        std::unique_lock<std::mutex> lock(ir->mtx);
        // item buffer is empty, just wait here.
        while (ir->write_position == ir->read_position)
        {
            {
                std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
                std::cout << "缓冲区空，等待生产者生成产品
";
            }
            (ir->repo_not_empty).wait(lock); // 消费者等待"产品库缓冲区不为空"这一条件发生.
        }

        data = (ir->item_buffer)[ir->read_position]; // 读取某一产品
        (ir->read_position)++; // 读取位置后移

        if (ir->read_position >= kItemRepositorySize) // 读取位置若移到最后，则重新置位.
            ir->read_position = 0;

        (ir->repo_not_full).notify_all(); // 通知消费者产品库不为满.

        return data; // 返回产品.
    }

    // 生产者任务
    void ProducerTask() 
    {
        for (int i = 1; i <= kItemsToProduce; ++i)
        {
            // sleep(1);
            ProduceItem(&gItemRepository, i); // 循环生产 kItemsToProduce 个产品.

            {
                std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
                std::cout << "生产第 " << i << "个产品" << std::endl;
            }
        }
    }

    // 消费者任务
    void ConsumerTask() 
    {
        static int cnt = 0;
        while (1)
        {
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
            int item = ConsumeItem(&gItemRepository); // 消费一个产品.
            {
                std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
                std::cout << "消费第" << item << "个产品" << std::endl;
            }
            // 如果产品消费个数为 kItemsToProduce, 则退出.
            if (++cnt == kItemsToProduce) break; 
        }
    }

    //初始化开始条件
    void InitItemRepository(ItemRepository *ir)
    {
        ir->write_position = 0; // 初始化产品写入位置.
        ir->read_position = 0; // 初始化产品读取位置.
    }

    void test()
    {
        InitItemRepository(&gItemRepository);

        //新建多个生产者或消费者线程实现多产/多消
        std::thread producer(ProducerTask); // 创建生产者线程.
        std::thread consumer(ConsumerTask); // 创建消费之线程.

        producer.join();
        consumer.join();
        //互斥变量的使用，实现生产者和消费者的循环使用
    }
}

//单生产者-多消费者

int main()
{

    SS::test();
    return 0;
}