9.3 实验内容——“生产者消费者”实验

1.实验目的

“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

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define MYFIFO "myfifo" /* 缓冲区有名管道的名字 */

#define BUFFER_SIZE 3 /* 缓冲区的单元数 */

#define UNIT_SIZE 5 /* 每个单元的大小 */

#define RUN_TIME 30 /* 运行时间 */

#define DELAY_TIME_LEVELS 5.0 /* 周期的最大值 */

int fd;

time_t end_time;

sem_t mutex, full, avail; /* 3个信号量 */

/*生产者线程*/

void *producer(void *arg)

{

int real_write;

int delay_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 = %d\n", delay_time);

/*生产者写入数据*/

if ((real_write = write(fd, "hello", UNIT_SIZE)) == -1)

{

if(errno == EAGAIN)

{

printf("The FIFO has not been read yet.Please try later\n");

}

}

else

{

printf("Write %d to the FIFO\n", 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)

{

unsigned char read_buffer[UNIT_SIZE];

int real_read;

int delay_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 = %d\n", delay_time);

if ((real_read = read(fd, read_buffer, UNIT_SIZE)) == -1)

{

if (errno == EAGAIN)

{

printf("No data yet\n");

}

}

printf("Read %s from FIFO\n", read_buffer);

/*V操作信号量avail和mutex*/

sem_post(&avail);

sem_post(&mutex);

}

pthread_exit(NULL);

}

int main()

{

pthread_t thrd_prd_id,thrd_cst_id;

pthread_t mon_th_id;

int ret;

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("Cannot create fifo\n");

return errno;

}

/*打开管道*/

fd = open(MYFIFO, O_RDWR);

if (fd == -1)

{

printf("Open fifo error\n");

return fd;

}

/*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("Any semaphore initialization failed\n");

return ret;

}

/*创建两个线程*/

ret = pthread_create(&thrd_prd_id, NULL, producer, NULL);

if (ret != 0)

{

printf("Create producer thread error\n");

return ret;

}

ret = pthread_create(&thrd_cst_id, NULL, customer, NULL);

if(ret != 0)

{

printf("Create customer thread error\n");

return ret;

}

pthread_join(thrd_prd_id, NULL);

pthread_join(thrd_cst_id, NULL);

close(fd);

unlink(MYFIFO);

return 0;

}

4.实验结果

运行该程序，得到如下结果：

$ ./producer_customer

……

Producer: delay = 3

Write 5 to the FIFO

Customer: delay = 3

Read hello from FIFO

Producer: delay = 1

Write 5 to the FIFO

Producer: delay = 2

Write 5 to the FIFO

Customer: delay = 4

Read hello from FIFO

Customer: delay = 1

Read hello from FIFO

Producer: delay = 2

Write 5 to the FIFO