windows多线程(十) 生产者与消费者问题

时间:2022-06-15 04:03:25

一、概述

生产者消费者问题是一个著名的线程同步问题,该问题描述如下:有一个生产者在生产产品,这些产品将提供给若干个消费者去消费,为了使生产者和消费者能并发执行,在两者之间设置一个具有多个缓冲区的缓冲池,生产者将它生产的产品放入一个缓冲区中,消费者可以从缓冲区中取走产品进行消费,显然生产者和消费者之间必须保持同步,即不允许消费者到一个空的缓冲区中取产品,也不允许生产者向一个已经放入产品的缓冲区中再次投放产品。

二、实例

(一) 一个生产者,一个消费者,一个缓冲区。

要满足生产者与消费者关系,我们需要保证以下两点:

  • 第一.从缓冲区取出产品和向缓冲区投放产品必须是互斥进行的。可以用关键段和互斥量来完成。
  • 第二.生产者要等待缓冲区为空,这样才可以投放产品,消费者要等待缓冲区不为空,这样才可以取出产品进行消费。并且由于有二个等待过程,所以要用二个事件或信号量来控制。

代码实现如下:


//生产者消费者问题,一个生产者,一个消费者,一个缓冲区。
#include <iostream>
#include <windows.h> using namespace std; DWORD WINAPI ProducerThread(LPVOID);
DWORD WINAPI ConsumerThread(LPVOID); const int PRODUCT_NUM = 10; //总共生产10个产品
int g_Buffer = 0; //缓冲区
CRITICAL_SECTION g_csVar; //互斥锁
HANDLE g_hEventBufEmpty, g_hEventBufFull; int main()
{
InitializeCriticalSection(&g_csVar);
g_hEventBufEmpty = CreateEvent(NULL, false, true, NULL); //缓冲区为空事件
g_hEventBufFull = CreateEvent(NULL, false, false, NULL); //缓冲区满事件 const int THREAD_NUM = 2;
HANDLE handle[THREAD_NUM];
handle[0] = CreateThread(NULL, 0, ProducerThread, NULL, 0, NULL); //生产者线程
handle[1] = CreateThread(NULL, 0, ConsumerThread, NULL, 0, NULL); //消费者线程
WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, true, INFINITE); DeleteCriticalSection(&g_csVar);
CloseHandle(handle[0]);
CloseHandle(handle[1]);
CloseHandle(g_hEventBufEmpty);
CloseHandle(g_hEventBufFull);
return 0;
} DWORD WINAPI ProducerThread(LPVOID p)
{
for (int i = 1; i <= PRODUCT_NUM; i++)
{
WaitForSingleObject(g_hEventBufEmpty, INFINITE); //等待缓冲区为空
EnterCriticalSection(&g_csVar);
g_Buffer = i;
cout << "生产者将数据 " << g_Buffer << " 放入缓冲区!" << endl;
LeaveCriticalSection(&g_csVar);
SetEvent(g_hEventBufFull); //触发事件,缓冲区满
} return 0;
} DWORD WINAPI ConsumerThread(LPVOID p)
{
for (int i = 1; i <= PRODUCT_NUM; i++)
{
WaitForSingleObject(g_hEventBufFull, INFINITE); //等待缓冲区满
EnterCriticalSection(&g_csVar);
cout << "\t\t\t\t消费者将数据 " << g_Buffer << " 从缓冲区取出!" << endl;
LeaveCriticalSection(&g_csVar);
SetEvent(g_hEventBufEmpty); //触发事件,清空缓冲区
}
return 0;
}

运行结果如下,生产者等待缓冲区为空的时候才向缓冲区投放产品,消费者等待缓冲区满的时候才取走产品。

windows多线程(十) 生产者与消费者问题

(二) 一个生产者,两个消费者,一个缓冲池(四个缓冲区)

相比于一个生产者,一个消费者,一个缓冲区,生产者由一个变成多个不难处理,多开线程就可以,需要注意的是缓冲区的变化,可以利用两个信号量就可以解决这种缓冲池有多个缓冲区的情况。用一个信号量A来记录为空的缓冲区个数,另一个信号量B记录非空的缓冲区个数,然后生产者等待信号量A,消费者等待信号量B就可以了。

代码实现如下:


// 一个生产者,两个消费者,一个缓冲池(四个缓冲区) #include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std; DWORD WINAPI ProducerThread(LPVOID);
DWORD WINAPI ConsumerThread(LPVOID); // 两个消费者,开两个线程就行了 const int PRODUCT_NUM = 16; //产品总数
const int BUFFER_SIZE = 4; //缓冲区大小
int g_Buffer[BUFFER_SIZE];
CRITICAL_SECTION g_csVar; // 互斥锁
HANDLE g_hEventBufEmpty, g_hEventBufFull;
int g_i = 0, g_j = 0; int main()
{
InitializeCriticalSection(&g_csVar);
g_hEventBufEmpty = CreateSemaphore(NULL, 4, 4, NULL); //记录空缓冲区个数信号量
g_hEventBufFull = CreateSemaphore(NULL, 0, 4, NULL); //记录满缓冲区个数信号量
const int THREAD_NUM = 3; //线程数
HANDLE handle[THREAD_NUM];
memset(g_Buffer, 0, sizeof(g_Buffer)); //缓冲池清零
handle[0] = CreateThread(NULL, 0, ProducerThread, NULL, 0, NULL); //生产者线程
handle[1] = CreateThread(NULL, 0, ConsumerThread, NULL, 0, NULL); //消费者线程1
handle[2] = CreateThread(NULL, 0, ConsumerThread, NULL, 0, NULL); //消费者线程2 WaitForMultipleObjects(THREAD_NUM, handle, true, INFINITE);
for (int i = 0; i<THREAD_NUM; i++)
{
CloseHandle(handle[i]);
}
CloseHandle(g_hEventBufEmpty);
CloseHandle(g_hEventBufFull);
DeleteCriticalSection(&g_csVar); return 0;
} DWORD WINAPI ProducerThread(LPVOID p)
{
for (int i = 1; i <= PRODUCT_NUM; i++)
{
WaitForSingleObject(g_hEventBufEmpty, INFINITE); //生产者等待空缓冲区
EnterCriticalSection(&g_csVar);
g_Buffer[g_i] = i;
cout << "生产者在第 " << g_i << " 个缓冲池中放入数据 " << g_Buffer[g_i] << endl;
g_i = (g_i + 1) % BUFFER_SIZE; //g_i自增,并实现在缓冲池中循环
LeaveCriticalSection(&g_csVar);
ReleaseSemaphore(g_hEventBufFull, 1, NULL); //生产完产品后,记录满缓冲区个数信号量加一,即记录现有产品数
}
cout << "生产者完成任务,线程结束运行!" << endl;
return 0;
} DWORD WINAPI ConsumerThread(LPVOID p)
{
for (int i = 1; i <= PRODUCT_NUM; i++)
{
WaitForSingleObject(g_hEventBufFull, INFINITE); //消费者等待缓冲区有产品(不为空)
EnterCriticalSection(&g_csVar);
cout << "\t\t\t编号为 " << GetCurrentThreadId() << " 的消费者在第 " << g_j << " 个缓冲池中取走数据 " << g_Buffer[g_j] << endl; if (g_Buffer[g_j] == PRODUCT_NUM) //最后一个产品已经被取走,此时需要退出消费者线程。
{
LeaveCriticalSection(&g_csVar);
ReleaseSemaphore(g_hEventBufFull, 1, NULL); //这里信号量加一,通知其它消费者有数据了(实际没有),使其它消费者执行这里的if语句,结束线程。
break;
}
g_j = (g_j + 1) % BUFFER_SIZE; //g_i自增,并实现在缓冲池中循环
LeaveCriticalSection(&g_csVar);
ReleaseSemaphore(g_hEventBufEmpty, 1, NULL);
}
cout << "编号为 " << GetCurrentThreadId() << " 的消费者结束运行! " << endl;
return 0;
}

运行结果如下所示:

windows多线程(十) 生产者与消费者问题

参考资料:秒杀多线程第十篇 生产者消费者问题