多线程编程之：实验内容——“生产者消费者”实验
“生产者消费者”问题是一个著名的同时性编程问题的集合。通过学习经典的“生产者消费者”问题的实验，读者可以进一步熟悉Linux中的多线程编程，并且掌握用信号量处理线程间的同步和互斥问题。
2．实验内容“生产者—消费者”问题描述如下。
有一个有限缓冲区和两个线程：生产者和消费者。他们分别不停地把产品放入缓冲区和从缓冲区中拿走产品。一个生产者在缓冲区满的时候必须等待，一个消费者在缓冲区空的时候也必须等待。另外，因为缓冲区是临界资源，所以生产者和消费者之间必须互斥执行。它们之间的关系如图9.4所示。
图9.4生产者消费者问题描述
这里要求使用有名管道来模拟有限缓冲区，并且使用信号量来解决“生产者—消费者”问题中的同步和互斥问题。
3．实验步骤（1）信号量的考虑。
这里使用3个信号量，其中两个信号量avail和full分别用于解决生产者和消费者线程之间的同步问题，mutex是用于这两个线程之间的互斥问题。其中avail表示有界缓冲区中的空单元数，初始值为N；full表示有界缓冲区中非空单元数，初始值为0；mutex是互斥信号量，初始值为1。
（2）画出流程图。
本实验流程图如图9.5所示。
图9.5“生产者—消费者”实验流程图
（3）编写代码
本实验的代码中采用的有界缓冲区拥有3个单元，每个单元为5个字节。为了尽量体现每个信号量的意义，在程序中生产过程和消费过程是随机（采取0～5s的随机时间间隔）进行的，而且生产者的速度比消费者的速度平均快两倍左右（这种关系可以相反）。生产者一次生产一个单元的产品（放入“hello”字符串），消费者一次消费一个单元的产品。
/*producer-customer.c*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<semaphore.h>
#include<sys/ipc.h>
#defineMYFIFO"myfifo"/*缓冲区有名管道的名字*/
#defineBUFFER_SIZE3/*缓冲区的单元数*/
#defineUNIT_SIZE5/*每个单元的大小*/
#defineRUN_TIME30/*运行时间*/
#defineDELAY_TIME_LEVELS5.0/*周期的最大值*/
intfd;
time_tend_time;
sem_tmutex,full,avail;/*3个信号量*/
/*生产者线程*/
void*producer(void*arg)
{
intreal_write;
intdelay_time=0;
while(time(NULL)<end_time)
{
delay_time=(int)(rand()*DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)/2.0)+1;
sleep(delay_time);
/*P操作信号量avail和mutex*/
sem_wait(&avail);
sem_wait(&mutex);
printf("nProducer:delay=%dn",delay_time);
/*生产者写入数据*/
if((real_write=write(fd,"hello",UNIT_SIZE))==-1)
{
if(errno==EAGAIN)
{
printf("TheFIFOhasnotbeenreadyet.Pleasetrylatern");
}
}
else
{
printf("Write%dtotheFIFOn",real_write);
}
/*V操作信号量full和mutex*/
sem_post(&full);
sem_post(&mutex);
}
pthread_exit(NULL);
}
/*消费者线程*/
void*customer(void*arg)
{
unsignedcharread_buffer[UNIT_SIZE];
intreal_read;
intdelay_time;
while(time(NULL)<end_time)
{
delay_time=(int)(rand()*DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX))+1;
sleep(delay_time);
/*P操作信号量full和mutex*/
sem_wait(&full);
sem_wait(&mutex);
memset(read_buffer,0,UNIT_SIZE);
printf("nCustomer:delay=%dn",delay_time);
if((real_read=read(fd,read_buffer,UNIT_SIZE))==-1)
{
if(errno==EAGAIN)
{
printf("Nodatayetn");
}
}
printf("Read%sfromFIFOn",read_buffer);
/*V操作信号量avail和mutex*/
sem_post(&avail);
sem_post(&mutex);
}
pthread_exit(NULL);
}
intmain()
{
pthread_tthrd_prd_id,thrd_cst_id;
pthread_tmon_th_id;
intret;
srand(time(NULL));
end_time=time(NULL)+RUN_TIME;
/*创建有名管道*/
if((mkfifo(MYFIFO,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST))
{
printf("Cannotcreatefifon");
returnerrno;
}
/*打开管道*/
fd=open(MYFIFO,O_RDWR);
if(fd==-1)
{
printf("Openfifoerrorn");
returnfd;
}
/*初始化互斥信号量为1*/
ret=sem_init(&mutex,0,1);
/*初始化avail信号量为N*/
ret+=sem_init(&avail,0,BUFFER_SIZE);
/*初始化full信号量为0*/
ret+=sem_init(&full,0,0);
if(ret!=0)
{
printf("Anysemaphoreinitializationfailedn");
returnret;
}
/*创建两个线程*/
ret=pthread_create(&thrd_prd_id,NULL,producer,NULL);
if(ret!=0)
{
printf("Createproducerthreaderrorn");
returnret;
}
ret=pthread_create(&thrd_cst_id,NULL,customer,NULL);
if(ret!=0)
{
printf("Createcustomerthreaderrorn");
returnret;
}
pthread_join(thrd_prd_id,NULL);
pthread_join(thrd_cst_id,NULL);
close(fd);
unlink(MYFIFO);
return0;
}
4．实验结果运行该程序，得到如下结果：
$./producer_customer
……
Producer:delay=3
Write5totheFIFO
Customer:delay=3
ReadhellofromFIFO
Producer:delay=1
Write5totheFIFO
Producer:delay=2
Write5totheFIFO
Customer:delay=4
ReadhellofromFIFO
Customer:delay=1
ReadhellofromFIFO
Producer:delay=2
Write5totheFIFO
……
下载文档
