C++生产者与消费者多线程样例

用户5908113

发布于 2021-01-06 11:39:13

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发布于 2021-01-06 11:39:13

文章被收录于专栏：Pou光明Pou光明

先了解问题背景：

生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了共享固定大小缓冲区的两个线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。通常采用线程间通信的方法解决该问题。如果解决方法不够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能被推广到多个生产者和消费者的情形。

问题描述：生产者不断生产数据，每包数据有优先级及时间戳等属性，当队列满时，移除时间最迟的数据，并将新数据放置队列头。

通过锁与条件变量进行线程同步，下面通过代码进行说明。

一、数据结构

typedef struct stc_RcvInfo{    int32_t priority;         //优先级属性    int64_t u64InTime;       //进入队列时间(us)    int32_t nBuffLen;        //数据长度    int8_t acBuff[DATA_LEN]; //数据缓存} tRcvInfo;

二、队列函数设计——入队、出队、锁、条件变量

1、数据结构

typedef int PRIORITY;   //0 is highest leveltypedef std::vector<std::shared_ptr<tRcvInfo>> MSG_QUEUE;  //存放数据的容器
static std::mutex mtx;                                  //本队列使用的锁static std::condition_variable cv;                 //本队列与锁对应的条件变//数据优先级与Vector关联的MAPstatic std::map<PRIORITY, MSG_QUEUE> PriorityQueue{      {0, std::vector<std::shared_ptr<tRcvInfo>>{}},    {1, std::vector<std::shared_ptr<tRcvInfo>>{}},    {2, std::vector<std::shared_ptr<tRcvInfo>>{}},    {3, std::vector<std::shared_ptr<tRcvInfo>>{}},    {4, std::vector<std::shared_ptr<tRcvInfo>>{}},    {5, std::vector<std::shared_ptr<tRcvInfo>>{}},    {6, std::vector<std::shared_ptr<tRcvInfo>>{}},    {7, std::vector<std::shared_ptr<tRcvInfo>>{}}};
static int indexArray[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};static int ArraySize = sizeof(indexArray) / sizeof(indexArray[0]);

2、向队列中以一定规则插入数据

int PushDataIntoCommunicateQueue(std::shared_ptr<tRcvInfo> pdata){    {        std::unique_lock<std::mutex> lk(mtx);                  //上锁        try        {//判断所在优先级对应的队列是否已满，队列大小通过宏来控制            if (PriorityQueue.at(pdata->priority).size() < COMMUNICATE_QUEUE_SIZE)  //未满            {                PriorityQueue.at(pdata->priority).push_back(pdata);               //按顺序入队            }            else          //已满，删除第一个元素，即时间戳最晚元素 ，将数据放入第一个位置            {                PriorityQueue.at(pdata->priority).erase(PriorityQueue.at(pdata->priority).begin());                PriorityQueue.at(pdata->priority).insert(PriorityQueue.at(pdata->priority).begin(), pdata);            }
            int nSta, nSize;            nSize = PriorityQueue.at(pdata->priority).size();            nSta = nSize >= COMMUNICATE_QUEUE_SIZE ? 1 : 0;            // if (nSta == 1)                                       //输出当前队列大小            // {            //     printf("Queue nSta = %d  nSize = %d\n", nSta, nSize);            //     std::cout << "thread id=" << std::this_thread::get_id() << std::endl;            //}        }            catch (const std::exception &e)        {            std::cerr << e.what() << std::endl;            return -1;        }    }    cv.notify_all();                          //完成操作，进行唤醒
    return 0;}

3、从队列中取数据

std::shared_ptr<tRcvInfo> GetDataFromCommunicateQueue(){    std::unique_lock<std::mutex> lk(mtx);               //上锁//条件变量等待固定时间或谓词为真    cv.wait_for(lk, std::chrono::microseconds(5), []() {        for (auto &it : PriorityQueue)        {            if (!it.second.empty())            {                return true;            }        }        return false;    });
    std::shared_ptr<tRcvInfo> pdata = NULL;
    for (int i = 0; i < ArraySize; i++)    {        if (!PriorityQueue.at(indexArray[i]).empty())        {            pdata = PriorityQueue.at(indexArray[i]).front();    //从对应优先级中取出数据            PriorityQueue.at(indexArray[i]).erase(PriorityQueue.at(indexArray[i]).begin());  //            break;        }    }
    return pdata;}

三、函数调用

两个生产者，一个消费者。

1、生产者

static void *ProducerOne(void *pArg){    uint8_t u8testData[512] = {0};    memset(u8testData, 0x66, sizeof(u8testData));     
    int mark = *((int *)pArg);    printf("I am is %d thread child \n ", mark);
    while (1)    {        std::shared_ptr<tRcvInfo> pRcvInfo = std::make_shared<tRcvInfo>();        if (NULL == pRcvInfo)        {            printf("pRcvInfo calloc error!\n");            break;        }
        pRcvInfo->priority = 0;                                    //构造数据        memcpy(pRcvInfo->acBuff, u8testData, sizeof(u8testData));        pRcvInfo->nBuffLen = sizeof(u8testData);        pRcvInfo->u64InTime = current_time_us_get();
        PushDataIntoCommunicateQueue(pRcvInfo);                 //将数据入队，且无需延时    }
    (void)pthread_exit(NULL);}

2、消费者

static void *Consumer(void *pArg){    int mark = *((int *)pArg);    printf("I am is %d thread child \n ", mark);
    while (1)    {        std::shared_ptr<tRcvInfo> pRcvInfo = GetDataFromCommunicateQueue();    //获取数据，无需延时        if (pRcvInfo == NULL)        {            continue;        }
        printf("priority : %d \n", pRcvInfo->priority);    }
    (void)pthread_exit(NULL);}

四、小结

问题点一个是线程间同步问题——使用锁和条件变量

还有就是对谓词判断上——延时时间到，或者队列不为空谓词为真，程序皆可向下执行，跳出阻塞。