【Linux】线程同步及基于BlockingQueue的生产者消费者模型

1. 条件变量

• 当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。
• 例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，直到其他线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。

2.同步概念与竞态条件

• 同步：在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特点的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步。
• 竞态条件：因为时序问题，而导致程序异常，我们称之为竞态条件。

3. 条件变量函数接口

3.1条件变量的初始化

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
const pthread_condattr_t *restrictattr);
参数：
cond：要初始化的条件变量
attr：NULL

3.2条件变量的销毁

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

3.3等待条件满足

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex);
参数：
cond：要在这个条件变量上等待
mutex：互斥量，后面详细解释

3.4唤醒等待

//唤醒全部
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
//唤醒特定等待的一个
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

4.为什么 pthread_cond_wait 需要互斥量?

• 条件变量本身也是一种临界资源，也要保证它的原子性操作。条件不会无缘无故的突然变得满足了，必然会牵扯到共享数据的变化。所以一定要用互斥锁来保护。没有互斥锁就无法安全的获取和修改共享数据。
• 调用pthread_cond_wait 的时候，会首先自动释放mtx_!,然后再挂起自己
• pthread_cond_wait 返回的时候，会首先自动竞争锁，获取到锁之后，才能返回！

5.生产者消费者模型

为了方便大家对生产者消费者模型的理解，我采用“321”原则为大家分析。3即3种关系，2即两种角色，1即一个交易场所。
3种关系：
1、生产者VS生产者：竞争 互斥
2、消费者VS消费者：竞争 户次
3、生产者VS消费者：互斥、同步
2种角色：生产者和消费者
1种交易场所：一段缓冲区（内存空间，STL容器等）

6.基于BlockingQueue的生产者消费者模型

在多线程编程中阻塞队列(Blocking Queue)是一种常用于实现生产者和消费者模型的数据结构。其与普通的队列区别在于，当队列为空时，从队列获取元素的操作将会被阻塞，直到队列中被放入了元素；当队列满时，往队列里存放元素的操作也会被阻塞，直到有元素被从队列中取出(以上的操作都是基于不同的线程来说的，线程在对阻塞队列进程操作时会被阻塞)

具体实现:
BlockQueue模块

#pragma once

#include <iostream>
#include <queue>
#include <pthread.h>

namespace ns_blockqueue
{
    const int default_cap = 5;

    template <class T>
    class BlockQueue
    {
    private:
        std::queue<T> bq_;    //我们的阻塞队列
        int cap_;             //队列的元素上限
        pthread_mutex_t mtx_; //保护临界资源的锁
        // 1. 当生产满了的时候，就应该不要生产了(不要竞争锁了)，而应该让消费者来消费
        // 2. 当消费空了，就不应该消费（不要竞争锁了）,应该让生产者来进行生产
        pthread_cond_t is_full_;  // bq_满的， 消费者在改条件变量下等待
        pthread_cond_t is_empty_; // bq_空的，生产者在改条件变量下等待
    private:
        bool IsFull()
        {
            return bq_.size() == cap_;
        }
        bool IsEmpty()
        {
            return bq_.size() == 0;
        }
        void LockQueue()
        {
            pthread_mutex_lock(&mtx_);
        }
        void UnlockQueue()
        {
            pthread_mutex_unlock(&mtx_);
        }
        void ProducterWait()
        {
            // pthread_cond_wait
            // 1. 调用的时候，会首先自动释放mtx_!,然后再挂起自己
            // 2. 返回的时候，会首先自动竞争锁，获取到锁之后，才能返回！
            // 3.
            pthread_cond_wait(&is_empty_, &mtx_);
        }
        void ConsumerWait()
        {
            pthread_cond_wait(&is_full_, &mtx_);
        }
        void WakeupComsumer()
        {
            pthread_cond_signal(&is_full_);
        }
        void WakeupProducter()
        {
            pthread_cond_signal(&is_empty_);
        }

    public:
        BlockQueue(int cap = default_cap) : cap_(cap)
        {
            pthread_mutex_init(&mtx_, nullptr);
            pthread_cond_init(&is_empty_, nullptr);
            pthread_cond_init(&is_full_, nullptr);
        }
        ~BlockQueue()
        {
            pthread_mutex_destroy(&mtx_);
            pthread_cond_destroy(&is_empty_);
            pthread_cond_destroy(&is_full_);
        }

    public:
        // const &:输入
        //*: 输出
        //&: 输入输出
        void Push(const T &in)
        {
            LockQueue();
            //临界区
            // if(IsFull()){ //bug?
            //我们需要进行条件检测的时候，这里需要使用循环方式
            //来保证退出循环一定是因为条件不满足导致的！
            while (IsFull())
            {
                //等待的，把线程挂起，我们当前是持有锁的！！！
                ProducterWait();
            }
            //向队列中放数据，生产函数
            bq_.push(in);

            // if(bq_.size() > cap_/2 ) WakeupComsumer();
            UnlockQueue();
            WakeupComsumer();
        }

        void Pop(T *out)
        {
            LockQueue();
            //从队列中拿数据，消费函数函数
            //我们需要进行条件检测的时候，这里需要使用循环方式
            //来保证退出循环一定是因为条件不满足导致的！
            while (IsEmpty())
            { //
                //无法消费
                ConsumerWait();
            }
            *out = bq_.front();
            bq_.pop();

            // if(bq_.size() < cap_/2 ) WakeupProducter();
            UnlockQueue();
            WakeupProducter();
        }
    };
}

Task任务模块

#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>

namespace ns_task
{
    class Task
    {
    private:
        int x_;
        int y_;
        char op_; //+/*/%
    public:
        // void (*callback)();
        Task() {}
        Task(int x, int y, char op) : x_(x), y_(y), op_(op)
        {
        }
        int Run()
        {
            int res = 0;
            switch (op_)
            {
            case '+':
                res = x_ + y_;
                break;
            case '-':
                res = x_ - y_;
                break;
            case '*':
                res = x_ * y_;
                break;
            case '/':
                res = x_ / y_;
                break;
            case '%':
                res = x_ % y_;
                break;
            default:
                std::cout << "bug??" << std::endl;
                break;
            }
            std::cout << "当前任务正在被: " << pthread_self() << " 处理: " \
            << x_ << op_ << y_ << "=" << res << std::endl;
            return res;
        }
        int operator()()
        {
            return Run();
        }
        ~Task() {}
    };
}

mian函数模块

#include "BlockQueue.hpp"
#include "Task.hpp"

#include <time.h>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>

using namespace ns_blockqueue;
using namespace ns_task;

void *consumer(void *args)
{
    BlockQueue<Task> *bq = (BlockQueue<Task>*)args;
    while(true){
        Task t;
        bq->Pop(&t); //这里完成了任务消费的第1步
        t();         //这里完成了任务消费的第2步

        // sleep(2);
        // int data = 0;
        // bq->Pop(&data);
        // std::cout << "消费者消费了一个数据: " <<  data << std::endl;
    }
}

void *producter(void *args)
{
    BlockQueue<Task> *bq = (BlockQueue<Task>*)args;
    std::string ops = "+-*/%";
    while(true){
        //1. 制造数据,生产者的数据(task)从哪里来？？
        int x = rand()%20+1; //[1,20]
        int y = rand()%10+1; //[1,10]
        char op = ops[rand()%5];
        Task t(x, y, op);
        std::cout << "生产者派发了一个任务: " << x << op << y << "=?" << std::endl;
        //2. 将数据推送到任务队列中
        bq->Push(t);
        sleep(1);
        // sleep(2);
        // int data = rand()%20 + 1;
        // std::cout << "生产者生产数据: " << data << std::endl;
        // bq->Push(data);
    }
}

int main()
{
    srand((long long)time(nullptr));
    BlockQueue<Task> *bq = new BlockQueue<Task>();

    pthread_t c,p;
    pthread_t c1,c2,c3,c4;
    pthread_create(&c, nullptr, consumer, (void*)bq);
    pthread_create(&c1, nullptr, consumer, (void*)bq);
    pthread_create(&c2, nullptr, consumer, (void*)bq);
    pthread_create(&c3, nullptr, consumer, (void*)bq);
    pthread_create(&c4, nullptr, consumer, (void*)bq);
    pthread_create(&p, nullptr, producter, (void*)bq);

    pthread_join(c, nullptr);
    pthread_join(c1, nullptr);
    pthread_join(c2, nullptr);
    pthread_join(c3, nullptr);
    pthread_join(c4, nullptr);
    pthread_join(p, nullptr);


    return 0;
}