【Linux】生产消费模型实践 --- 基于信号量的环形队列

2025-05-08 03:37:33 0 阅读

你送出去的每颗糖都去了该去的地方，

其实地球是圆的，

你做的好事终会回到你身上。

--- 何炅 ---

基于信号量的环形队列

1 信号量
2 框架构建
3 代码实现
4 测试运行

1 信号量

信号量本质是一个计数器，可以在初始化时对设置资源数量，进程 / 线程可以获取信号量来对资源进行操作和结束操作可以释放信号量！
用于多进程 / 多线程对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源(信号量也属于临界资源)，使得资源在一个时刻只有一个进程独享。在资源只有一个时就一把互斥锁！

信号量只能进行两种操作获取等待和释放信号，即PV操作：

P(sv):我们将申请获取信号量称为P操作，申请信号量的本质就是申请获得临界资源中某块资源的使用权限，当申请成功时临界资源中资源的数目应该减去一。所以P操作的本质就是让计数器减一，如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行。对应的接口为,使用很简单：
```
#include 
//阻塞等待获取
int sem_wait(sem_t *sem);
//只进行一次获取，非阻塞等待
int sem_trywait(sem_t *sem);
//时间片内进行等待，超出就退出阻塞！
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
```
V(sv):我们将释放信号量称为V操作，释放信号量的本质就是归还临界资源中某块资源的使用权限，当释放成功时临界资源中资源的数目就应该加一。所以V操作本质就是让计数器加一，如果有其他进程 / 线程因等待sv而被挂起，就发送信号让它恢复运行，如果没有进程 / 线程因等待信号量而挂起，就给他加1。对应接口为：
```
#include 
//释放获取的信号量
int sem_post(sem_t *sem);
```

PV操作都是原子的，不用担心线程安全！此外信号量初始化和销毁的接口是：

信号量初始化：
```
#include 
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
```
参数分别为：
- sem_t *sem：传入信号量的地址
- pshared：传入0值表示线程间共享，传入非零值表示进程间共享。
- value：信号量的初始值（计数器的初始值）。
信号量销毁：
```
#include 
int sem_destroy(sem_t *sem);
```

2 框架构建

环形队列的成员变量
- 线性容器vector模拟环形队列
- 最大容量 int _max_step
- 消费者位置 _c_step 与生产者位置 _p_step
- 两个信号量来表示生产与消费的剩余容量
  sem_t _data_sem : 当前有多少数据
  sem_t _space_sem: 当前剩余空间还有多少
构造函数初始化
- 最大容量需要给值初始化
- 两个初始位置都为 0
- 信号量初始化 sem_init() 数据为 0 ，空间为最大容量
Push接口用来加入数据
- 首先需要申请信号量 P 来对空间信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
  获取信号量的本质是对资源 –
- 生产进行插入，对应下标向后移动，注意不能越界
- 最后进行释放信号量 V 来对资源信号量进行释放 sem_post()
  释放信号量的本质是对资源 ++
Pop接口用来获取数据
- 首先需要申请信号量 P 来对资源信号量进行获取 sem_wait (&sem_t _space_sem)(申请信号量是原子的)
  获取信号量的本质是对资源 –
- 获取队列资源，并进行释放，对应下标向后移动，注意不能越界
- 最后进行释放信号量 V 来对空间信号量进行释放 sem_post()
  释放信号量的本质是对资源 ++
多生产多消费改造：多个生产 / 消费线程存在消费对消费生产对生产的问题！