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C++ 实现信号量生产者消费者问题

2023-07-02 14:02:48 深夜i -- --

C++ Semaphore 生产者消费者问题

信号量生产者消费者问题是计算机科学中一个经典的并发同步问题。该问题的目标是保证生产者进程和消费者进程之间的同步，以确保正确地使用共享资源。在C++语言中，可以使用信号量来实现该问题的解决方案。

信号量是一种在进程间进行同步和协调的方式，通常是一个整数，可以用来控制并发情况。在C++的系统库中，有一个名为sem_t的类型表示信号量。该类型定义在semaphore.h中。

在信号量生产者消费者问题中，使用两个信号量：一个用于保证缓冲区不为空，另一个用于保证缓冲区不为满。这两个信号量初始化为0和缓冲区的大小，生产者进程在往缓冲区中添加数据时需要等待缓冲区不为满的信号量，而消费者进程在从缓冲区中读取数据时需要等待缓冲区不为空的信号量。

下面展示了一个使用信号量解决信号量生产者消费者问题的C++代码：


#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
sem_t mutex, empty, full;
int buffer[MAX_BUFFER_SIZE];
int count = 0;
void* producer(void* arg)
{
  int item;
  while (true) {
    produce_item(item);
    sem_wait(&empty);
    sem_wait(&mutex);
    buffer[count++] = item;
    sem_post(&mutex);
    sem_post(&full);
  }
}
void* consumer(void* arg)
{
  int item;
  while (true) {
    sem_wait(&full);
    sem_wait(&mutex);
    item = buffer[--count];
    sem_post(&mutex);
    sem_post(&empty);
    consume_item(item);
  }
}
int main()
{
  sem_init(&mutex, 0, 1);
  sem_init(&empty, 0, MAX_BUFFER_SIZE);
  sem_init(&full, 0, 0);
  pthread_t producer_thread, consumer_thread;
  pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
  pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);
  pthread_join(producer_thread, NULL);
  pthread_join(consumer_thread, NULL);
  sem_destroy(&mutex);
  sem_destroy(&empty);
  sem_destroy(&full);
  return 0;
}

在该代码中，使用了pthread库来创建线程。生产者进程和消费者进程通过不断地执行produce_item()和consume_item()函数来生产和消费数据。当生产者进程往缓冲区中添加数据时，需要等待empty信号量，当消费者进程从缓冲区中读取数据时，需要等待full信号量。同时，由于缓冲区在生产者和消费者之间共享，需要使用mutex信号量保证缓冲区的线程安全。

在上述代码中，使用了sem_wait()和sem_post()两个函数，分别用于等待信号量和释放信号量。当调用sem_wait()函数时，如果信号量的值为0，则该线程会阻塞，直到信号量的值大于0；当调用sem_post()函数时，会使信号量的值加1。

使用信号量实现信号量生产者消费者问题的解决方案可以保证生产者进程和消费者进程之间的同步，从而避免了竞态条件和死锁的问题。由于信号量是一个底层的同步工具，因此使用场景比较灵活。无论是在操作系统中还是在应用程序中，信号量都是实现并发同步和通信的重要手段。

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