【Linux】基于环形队列的生产消费者模型
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基于环形队列的生产消费者模型
- 一、POSIX信号量
- 1、概述
- 2、调用接口
- （一）初始化信号量
- （二）销毁信号量
- （三）等待信号量
- （四）发布信号量
- 3、在环形队列中的作用
- 二、基于环形队列的生产消费者模型
- 1、理论探究
- 2、代码实现
- （一）RingQueue.hpp
- （二）Task.hpp
- （三）main.cpp
- 3、PV操作包裹住加解锁操作的原因
一、POSIX信号量
1、概述
在我们进行环形队列的生产消费者模型的学习之前，我们要对前置条件POSIX信号量进行学习，这里的POSIX的信号量与systemV的信号量是几乎一致的，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源的目的，只是POSIX信号量的使用要更简单一些，可以用于线程间同步
信号量的本质就是一个计数器，它的本质就是用来描述资源数目的，把资源是否就绪放到了临界区之外，在申请信号量的时候其实已经就是间接在做判断了
2、调用接口
（一）初始化信号量
#include 返回值：成功返回0，失败返回-1
sem：指向要初始化的信号量对象的指针
pshared：指定信号量的共享属性，如果pshared为 0，表示信号量是进程内共享的，只能在创建它的进程内的多个线程之间使用，如果pshared非 0，表示信号量可以在多个进程之间共享
value：指定信号量的初始值，表示可以同时访问共享资源的线程或进程的数量
（二）销毁信号量
#include 返回值：成功返回0，失败返回-1
sem：指向要销毁的信号量对象的指针
（三）等待信号量
#include 返回值：成功返回0，失败返回-1
sem：指向要操作的信号量对象的指针，这个指针一定要是被初始化过的
sem_wait 函数执行的是信号量的 P 操作
如果信号量 sem 的值大于 0，sem_wait 会将信号量的值减 1，然后立即返回，调用线程或进程可以继续执行后续代码，意味着该线程或进程成功获取了对共享资源的访问权
如果信号量 sem 的值等于 0，sem_wait 会使调用线程或进程进入阻塞状态，直到信号量的值大于 0 为止。一旦信号量的值变为大于 0，sem_wait 会将信号量的值减 1 并返回，线程或进程继续执行
（四）发布信号量
#include 返回值：成功返回0，失败返回-1
sem：指向要操作的信号量对象的指针，这个指针一定要是被初始化过的
sem_post 函数执行的是信号量的 V 操作，会将信号量 sem 的值加 1
如果在调用 sem_post 之前，有其他线程或进程因为调用 sem_wait 而阻塞在该信号量上（即信号量的值为 0），那么在信号量的值加 1 之后，系统会唤醒其中一个阻塞的线程或进程，被唤醒的线程或进程会将信号量的值再减 1 并继续执行后续代码
3、在环形队列中的作用
我们在之前应该都接触过环形队列，在环形队列中，一般我们是需要一个计数器的，或者在环形队列中留出最后一个位置，因为如果没有这些措施，我们就不知道双指针谁在前谁在后了，我们这里使用信号量替代了这个计数器
二、基于环形队列的生产消费者模型
1、理论探究
我们通过数组以及模运算的方式来模拟环状模型，前面的基于阻塞队列的生产消费者模型底层来说是基于容器queue的，其空间可以动态分配，现在是基于固定大小的，基于容器vector
其中生产者关注的是环形队列的空间资源，消费者关心的是环形队列的数据资源，而环形队列中的空间资源+数据资源=全部资源，只要有空间生产者就可以生产数据然后放入，只要有数据消费者就可以取出数据然后加工
2、代码实现
（一）RingQueue.hpp
#pragma once
#include （二）Task.hpp
任务函数还是上一次的任务
#pragma once
#include （三）main.cpp
#include 
3、PV操作包裹住加解锁操作的原因
在 Pop和Push 函数中，以Push 函数为例，P(pspace_sem_) 和 V(cdata_sem_) 包裹着 Lock(p_mutex_) 和 Unlock(p_mutex_) 这种设计是为了实现更细粒度的同步控制，尽可能减少锁的竞争，以确保线程安全和高效性，下面详细解释其原因：
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P(pspace_sem_)在Lock(p_mutex_)之前- 信号量的作用：
pspace_sem_信号量用于表示环形队列中可用的空间资源，P(pspace_sem_)操作会检查信号量的值，如果值大于 0，则将其减 1 并继续执行，如果值为 0，则线程会阻塞，直到有可用空间（即其他线程调用V(pspace_sem_)释放空间） - 避免不必要的加锁：在尝试获取互斥锁之前先检查信号量，可以避免在没有可用空间时加锁，因为如果没有可用空间，即使加了锁也无法进行生产操作，还会导致其他线程无法释放空间，造成资源浪费和性能下降，通过先检查信号量，只有在有可用空间时才去获取互斥锁，减少了锁的竞争，提高了程序的效率
- 信号量的作用：
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V(cdata_sem_)在Unlock(p_mutex_)之后- 信号量的通知机制：
cdata_sem_信号量用于表示环形队列中可用的数据资源，V(cdata_sem_)操作会将信号量的值加 1，如果有消费者线程因为等待数据而阻塞，会唤醒其中一个线程 - 避免死锁和数据不一致：在释放互斥锁之后再增加
cdata_sem_信号量的值，可以确保在通知消费者有新数据可用之前，生产者已经完成了对共享资源的修改，并且释放了锁，如果在加锁状态下就增加信号量，可能会导致消费者线程被唤醒后尝试获取锁，但由于生产者还持有锁而无法进入临界区，从而造成死锁或数据不一致的问题
- 信号量的通知机制：
今日分享就到这里啦~
