Linux组件封装（五）一个生产者消费者问题示例

生产者消费者问题是计算机中一类重要的模型，主要描述的是：生产者往缓冲区中放入产品、消费者取走产品。生产者和消费者指的可以是线程也可以是进程。

生产者消费者问题的难点在于：

为了缓冲区数据的安全性，一次只允许一个线程进入缓冲区，它就是所谓的临界资源。

生产者往缓冲区放物品时，如果缓冲区已满，那么需要等待，一直到消费者取走产品为止。

消费者取走产品时，如果没有物品，需要等待，一直到有生产者放入为止。

第一个问题属于互斥问题，我们需要使用一把互斥锁，来实现对缓冲区的安全访问。

后两个属于同步问题，两类线程相互协作，需要两个条件变量，一个用于通知生产者放入产品，一个用来通知消费者取走物品。

生产者线程的大概流程是：

1.加锁

2.如果缓冲区已满，则等待。

3.放入物品

4.解锁

5.通知消费者，可以取走产品

消费者的逻辑恰好相反：

1.加锁

2.缓冲区为空，等待

3.取走物品

4.解锁

5.通知生产者，可以放入物品

我们设计出一个缓冲区：

#ifndef BUFFER_H_
#define BUFFER_H_

#include "NonCopyable.h"
#include "MutexLock.h"
#include "Condition.h"
#include <queue>

class Buffer : NonCopyable
{
public:
    Buffer(size_t size);
    void push(int val);
    int pop();

    bool empty() const;
    size_t size() const;

private:
    mutable MutexLock mutex_;
    Condition full_;
    Condition empty_;

    size_t size_; //缓冲区的大小
    std::queue<int> queue_;
};

#endif //BUFFER_H_

这里注意，我们把同步与互斥的操作都放入Buffer中，使得生产者和消费者线程不必考虑其中细节，这符号软件设计的“高内聚、低耦合”原则。

还有一点，mutex被声明为mutable类型，意味着mutex在const函数中仍然可以被改变，这是符合程序的逻辑的。把mutex声明为mutable，是一种标准实践。

重点是push和pop的实现：

void Buffer::push(int val)
{
    //lock
    //wait
    //push
    //notify
    //lock
    {
        MutexLockGuard lock(mutex_);
        while(queue_.size() >= size_)
            empty_.wait();
        queue_.push(val);
    }
    full_.notify();
}

int Buffer::pop()
{
    int temp = 0;
    {
        MutexLockGuard lock(mutex_);
        while(queue_.empty())
            full_.wait();
        temp = queue_.front();
        queue_.pop();
    }
    empty_.notify();

    return temp;
}

这里注意：

1.条件变量的等待必须使用while，这是一种最佳实践，原因可见Condition的封装Linux组件封装（二）中条件变量Condition的封装。

2.可以先notify再解锁，也可以先解锁。不过推荐先解锁，原因是如果先notify，唤醒一个线程B，但是还未解锁，此时如果线程切换至刚唤醒的线程B，B马上尝试lock，但是肯定失败，然后阻塞，这增加了一次线程切换的开销。

我们还可以继续封装，将缓冲区与多个生产者、消费者封装成一个车间类，如下：

#ifndef WORKSHOP_H_
#define WORKSHOP_H_

#include "NonCopyable.h"
#include "Buffer.h"
#include <vector>

class ProducerThread;
class ConsumerThread;

class WorkShop : NonCopyable
{
public:
    WorkShop(size_t bufferSize,
             size_t producerSize,
             size_t consumerSize);
    ~WorkShop();

    void startWorking();
private:
    size_t bufferSize_;
    Buffer buffer_;

    size_t producerSize_;
    size_t consumerSize_;
    std::vector<ProducerThread*> producers_;
    std::vector<ConsumerThread*> consumers_;
};

#endif //WORKSHOP_H_

这样就可以方便的指定线程的数目。

 

完整的项目代码请参见这里：生产者消费者完整代码