生产者和消费者问题
时间：2026-01-20
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实验名称: 生产者和消费者问题
1.实验目的：
“生产者消费者”问题是一个著名的同时性编程问题的集合。通过编写经典的“生产者消费者”问题的实验，读者可以进一步熟悉Linux 中多线程编程，并且掌握用信号量处理线程间的同步互斥问题。
2.实验内容：
“生产者消费者”问题描述如下。
有一个有限缓冲区和两个线程：生产者和消费者。他们分别把产品放入缓冲区和从缓冲区中拿走产品。当一个生产者在缓冲区满时必须等待，当一个消费者在缓冲区空时也必须等待。它们之间的关系如下图所示：
这里要求用有名管道来模拟有限缓冲区，用信号量来解决生产者消费者问题中的同步和互斥问题。
3.实验方法：
（1）使用信号量解决
（2）思考使用条件变量解决
4.实验过程
（1）信号量的考虑
这里使用3个信号量，其中两个信号量avail和full分别用于解决生产者和消费者线程之间的同步问题，mutex是用于这两个线程之间的互斥问题。其中avail初始化为N（有界缓冲区的空单元数），mutex 初始化为1，full初始化为0。
/*product.c*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>
#define FIFO "myfifo"
#define N 5
int lock_var;
time_t end_time;
char buf_r[100];
sem_t mutex,full,avail;
int fd;
void pthread1(void *arg);
void pthread2(void *arg);
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t id1,id2;
pthread_t mon_th_id;
int ret;
end_time = time(NULL)+30;
/*创建有名管道*/
if((mkfifo(FIFO,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST)) printf("cannot create fifoserver\n");
printf("Preparing for reading bytes...\n");
memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
/*打开管道*/
fd=open(FIFO,O_RDWR|O_NONBLOCK,0);
if(fd==-1)
{
perror("open");
exit(1);
}
/*初始化互斥信号量为1*/
ret=sem_init(&mutex,0,1);
/*初始化avail信号量为N*/
ret=sem_init(&avail,0,N);
/*初始化full信号量为0*/
ret=sem_init(&full,0,0);
if(ret!=0)
{
perror("sem_init");
}
/*创建两个线程*/
ret=pthread_create(&id1,NULL,(void *)productor, NULL); if(ret!=0)
perror("pthread cread1");
ret=pthread_create(&id2,NULL,(void *)consumer, NULL); if(ret!=0)
perror("pthread cread2");
pthread_join(id1,NULL);
pthread_join(id2,NULL);
exit(0);
}
/*生产者线程*/
void productor(void *arg)
{
int i,nwrite;
while(time(NULL) < end_time){
/*P操作信号量avail和mutex*/
sem_wait(&avail);
sem_wait(&mutex);
/*生产者写入数据*/
if((nwrite=write(fd,"hello",5))==-1)
{
if(errno==EAGAIN)
printf("The FIFO has not been read yet.Please try later\n"); }
else
printf("write hello to the FIFO\n");
/*V操作信号量full和mutex*/
sem_post(&full);
sem_post(&mutex);
sleep(1);
}
}
/*消费者线程*/
void consumer(void *arg)
{
int nolock=0;
int ret,nread;
while(time(NULL) < end_time){
/*P操作信号量full和mutex*/
sem_wait(&full);
sem_wait(&mutex);
memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
if((nread=read(fd,buf_r,100))==-1){
if(errno==EAGAIN)
printf("no data yet\n");
}
printf("read %s from FIFO\n",buf_r);
/*V操作信号量avail和mutex*/
sem_post(&avail);
sem_post(&mutex);
sleep(1);
}
}
(2)条件变量的考虑
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#define BUFFER_SIZE 4
#define OVER (-1)
struct producers//定义生产者条件变量结构
{
int buffer[BUFFER_SIZE];
pthread_mutex_t lock;
int readpos, writepos;
pthread_cond_t notempty;
pthread_cond_t notfull;
};
//初始化缓冲区
void init(struct producers *b)
{
pthread_mutex_init(&b->lock,NULL);
pthread_cond_init(&b->notempty,NULL);
pthread_cond_init(&b->notfull,NULL);
b->readpos=0;
b->writepos=0;
}
//在缓冲区存放一个整数
void put(struct producers *b, int data) {
pthread_mutex_lock(&b->lock);
//当缓冲区为满时等待
while((b->writepos+1)%BUFFER_SIZE==b->readpos) {
pthread_cond_wait(&b->notfull,&b->lock); }
b->buffer[b->writepos]=data;
b->writepos++;
if(b->writepos>=BUFFER_SIZE) b->writepos=0; //发送当前缓冲区中有数据的信号
pthread_cond_signal(&b->notempty);
pthread_mutex_unlock(&b->lock);
}
int get(struct producers *b)
{
int data;
pthread_mutex_lock(&b->lock);
while(b->writepos==b->readpos)
{
pthread_cond_wait(&b->notempty,&b->lock); }
data=b->buffer[b->readpos];
b->readpos++;
if(b->readpos>=BUFFER_SIZE) b->readpos=0; pthread_cond_signal(&b->notfull);
pthread_mutex_unlock(&b->lock);
return data;
}
struct producers buffer;
void *producer(void *data)
{
生产者和消费者问题.doc
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