生产者与消费者模型Linux下C语言的实现


作者：武特
学习了信号量以及共享内存后，我们就可以实现进程的同步与互斥了。说到这里，最经典的例子莫过于生产者和消费者模型。下面就和大家一起分析，如何一步步实现这个经典模型。完整代码可以在这里下载。
下面程序，实现的是多个生产者和多个消费者对N个缓冲区（N个货架）进行访问的例子。现在先想想我们以前的伪代码是怎么写的？是不是这样：
//生产者：
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 while(1)
 {
  p(semid,1);
  sleep(3);
  p(semid,0);
  //producer is producing a product
  goods=rand()%10;//product a goods
  shmaddr[indexaddr[0]]=goods;//The goods is placed on a shelf
  printf("producer:%d produces a product[%d]:%d
",getpid(),indexaddr[0],goods);
  indexaddr[0]=(indexaddr[0]+1)%10;
  v(semid,0);
  sleep(3);
  v(semid,2);
 } 
//消费者：
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 while(1)
 {
  p(semid,2);
  sleep(1);
  p(semid,0);
  //consumer is consuming a product
  goods=shmaddr[indexaddr[1]];//The goods on the shelf is taken down
  printf("consumer:%d consumes a product[%d]:%d
",getpid(),indexaddr[1],goods);
  indexaddr[1]=(indexaddr[1]+1)%num;
  v(semid,0);
  sleep(1);
  v(semid,1);
 } 
可能上面的代码你有些眼熟，又有些困惑，因为它和课本上的代码不完全一样，其实上面的代码就是伪代码的linuxC语言具体实现。我们从上面的代码中慢慢寻找伪代码的踪迹：p(semid,0)和v(semid,0)的作用是让进程互斥访问临界区。临界区中包含的数据indexaddr[0]，indexaddr[1]，以及shmaddr数组分别对应伪代码中的in，out，buffer。p(semid,1)和v(semid,2)以及p(semid,2)和v(semid,1)实现的是同步作用。
并且，在生产者中，生产者生产了一个货物（goods=rand()%10;），然后将这个货物放上货架(shmaddr[indexaddr[0]]=goods;)。在消费者中，消费和从货架上取下货物（goods=shmaddr[indexaddr[1]];）。
好了，现在再看一边上面的代码，我想你的思路就清晰了。
了解了核心代码，并不能算就完成了生产者和消费者模型，因为生产者和消费者核心代码前还得做一些些准备工作，具体要准备些什么，我们具体来分析。
首先申请一块共享内存，这块共享内存用于存放生产者所生产的货物。同时我们可以看到这块共享内存大小为10字节。这里需要注意，每个生产着或消费者运行后，都要去试着分配这样的一块共享内存。如果在当前进程运行前已经有某个进程已经创建了这块共享内存，那么这个进程就不再创建（此时createshm会返回-1并且错误代码为EEXIST），只是打开这块共享内存。创建后，再将这块共享内存添加到当前进程的地址空间。
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 num=10;
 //create a shared memory as goods buffer
 if((shmid_goods=createshm(".",s,num))==-1)
 {
  if(errno==EEXIST)
  {
   if((shmid_goods=openshm(".",s))==-1)
   {
    exit(1);
   }
  }
  else
  {
   perror("create shared memory failed
");
          exit(1);
  }
 }
 //attach the shared memory to the current process
 if((shmaddr=shmat(shmid_goods,(char*)0,0))==(char*)-1)
 {
  perror("attach shared memory error
");
  exit(1);
 } 
接下来还要再申请一块共享内存，用于存放两个整形变量in和out（其实就是申请一个含有2个整形变量的数组而已）。他们记录的是生产和消费货物时“货架”的索引。与上面情况相同，如果已经有其他进程创建了此块共享内存，那么当前进程只是打开它而已。
注意这里对两个整形变量的初始化时的值均为0。
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 //create a shared memory as index
 if((shmid_index=createshm(".",z,8))==-1)
 {
  if(errno==EEXIST)
  {
   if((shmid_index=openshm(".",z))==-1)
   {
    exit(1);
   }
  }
  else
  {
   perror("create shared memory failed
");
          exit(1);
  }
 }
 else
 {
  is_noexist=1;
 }
 //attach the shared memory to the current process
 if((indexaddr=shmat(shmid_index,(int*)0,0))==(int*)-1)
 {
  perror("attach shared memory error
");
  exit(1);
 }
 if(is_noexist)
 {
  indexaddr[0]=0;
  indexaddr[1]=0;
 } 
接下来就是创建一个信号量集，这个信号量集中包含三个信号量。第一个信号量实现的互斥作用，即进程对临界区的互斥访问。剩下两个均实现的是同步作用，协调生产者和消费者的合理运行，即货架上没有空位时候生产者不再生产，货架上无商品时消费者不再消费。
注意下面对每个信号量的赋值情况。互斥信号量当然初值为1。而同步信号量两者之和不能大于num的值。
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 //create a semaphore set including 3 semaphores
 if((semid=createsem(".",t,3,0))==-1)
 {
  if(errno==EEXIST)
  {
   if((semid=opensem(".",t))==-1)
   {
    exit(1);
   }
  }
  else
  {
   perror("semget error:");
   exit(1);
  }
 }
 else
 {
  union semun arg;
         //seting value for mutex semaphore
          arg.val=1;
          if(semctl(semid,0,SETVAL,arg)==-1)
          {
   perror("setting semaphore value failed
");
          return -1;
             }
           //set value for synchronous semaphore
         arg.val=num;
             //the num means that the producer can continue to produce num products
           if(semctl(semid,1,SETVAL,arg)==-1)
             {
   perror("setting semaphore value failed
");
           return -1;
          }
            //the last semaphores value is default
            //the default value 0 means that the consumer is not use any product now
       } 
基本上这样，就算完成了生产者和消费者的前期工作。我们可以看到，在核心代码中，我们只需要“装模作样”的将代码“各就各位”即可，当然这需要你理解生产者消费者这个基本模型。而在下面的准备代码中，则需要我们理解关于信号量和共享内存的一些基本函数。
最后再说说使用，建议先运行一个生产者和一个消费者，观察两者是如何协调工作的。然后再只运行一个生产者或一个消费者，看其是否会阻塞。了解了以上情况后，你就可以同时运行多个生产者和消费者了

补充：软件开发 , C语言 ,