生產者與消費者模型-有界緩衝區

 問題描述

 　　生產者消費者問題（英語：Producer-consumer problem），也稱有限緩衝問題（英語：Bounded-buffer problem），是一個多進程同步問題的經典案例。  該問題描述了共用固定大小緩衝區的兩個進程——即所謂的“生產者”和“消費者”——在實際運行時會發生的問題。生產者的主要作用是生成一定量的數據 放到緩衝區中，然後重覆此過程。與此同時，消費者也在緩衝區消耗這些數據。該問題的關鍵就是要保證生產者不會在緩衝區滿時加入數據，消費者也不會在緩衝區中空時消耗數據。

要解決該問題，就必須讓生產者在緩衝區滿時休眠（要麼乾脆就放棄數據），等到下次消費者消耗緩衝區中的數據的時候，生產者才能被喚醒，開始往緩衝區添加數據。同樣，也可以讓消費者在緩衝區空時進入休眠，等到生產者往緩衝區添加數據之後，再喚醒消費者。通常採用進程間通信的方法解決該問題，常用的方法有信號燈法等。如果解決方法不夠完善，則容易出現死鎖的情況。出現死鎖時，兩個線程都會陷入休眠，等待對方喚醒自己。該問題也能被推廣到多個生產者和消費者的情形。

 代碼要求

• 三個線程，兩個緩衝區 第一個線程往緩衝區a中put,第二個線程從緩衝區a中get，然後put到緩衝區b中；第三個線程從緩衝區b中get。第一個線程相當於純生產者，第三個線程相當於純消費者,第二個線程相當於既是生產者又是消費者。
• 用C++類封裝信號量相關的API函數，實現一個名為Semaphore的類，提供兩個成員 函數：p()和v()； 

　　　　Semaphore s(8);

　　　　s.p();

　　　　s.v();

• 用兩個鎖分別保護head和tail

   

 實現臨界區互斥訪問的方法之一  信號量法

　　概念上信號量是表示無力資源數量的實體，它是一個與隊列有關的整型變數，實現上，信號量是一種記錄型數據結構，有兩個分量，一個是信號量的值，一個是等待該信號量的進程隊列的頭指針。

 實驗代碼

  1 #include <windows.h>
  2 #include <iostream>
  3 
  4 
  5 using namespace std;
  6 
  7 
  8 class Semaphore {
  9 private:
 10     HANDLE SSemaphore;
 11 public:
 12     Semaphore(int m, int n) {        
 13         SSemaphore = CreateSemaphore(NULL, m, n, NULL);         //創建信號量
 14     }
 15     ~Semaphore() {                                               //銷毀信號量
 16         CloseHandle(SSemaphore);
 17     }
 18     void P() {                                                     //P操作 
 19         WaitForSingleObject(SSemaphore, INFINITE);
 20     }
 21         
 22     void V() {                                                    //V操作 
 23         ReleaseSemaphore(SSemaphore, 1, NULL);
 24     }
 25 
 26 };
 27 
 28 
 29 class Buffer {
 30     static const int SIZE = 100;
 31     private:
 32         int cells[SIZE];
 33         int tail;
 34         int head;
 35         int num;
 36 
 37         Semaphore semaphore_full_cell;        //空格子
 38         Semaphore semaphore_empty_cell;        //滿格子
 39         Semaphore mutex;                    
 40         Semaphore mutex_tail;//保護尾部信號量
 41     public:
 42         Buffer()
 43         : num(0), head(0), tail(0), semaphore_full_cell(0, SIZE),
 44             semaphore_empty_cell(SIZE, SIZE), mutex(1, 1), mutex_tail(1, 1){}
 45         ~Buffer(){}
 46 
 47         bool put(int x)
 48         {
 49             semaphore_empty_cell.P();
 50             mutex_tail.P();
 51             if (num == SIZE) {
 52             return false;
 53         }
 54             cells[tail] = x;
 55             tail = (tail + 1) % SIZE;
 56             num++;
 57             mutex_tail.V();
 58             semaphore_full_cell.V();
 59             return true;
 60         }
 61 
 62         bool get(int& x)
 63         {
 64             semaphore_full_cell.P();
 65             mutex.P();
 66             if (num == 0) {
 67                 return false;
 68             }
 69             x = cells[head];
 70             head = (head + 1) % SIZE;
 71             num--;
 72             mutex.V();
 73             semaphore_empty_cell.V();
 74             return true;
 75         }
 76 };
 77 
 78 
 79 Buffer a;        //a緩存區
 80 Buffer b;        //b緩存區
 81 
 82 
 83 DWORD WINAPI producer(LPVOID)            //生產者線程
 84 {
 85     for (int i = 0; i < 200; i++) {
 86         bool ok = a.put(i);
 87         if (!ok) {
 88             cout << GetCurrentThreadId() << " put: " << i << endl;
 89         }
 90     }
 91     return 0;
 92 }
 93 
 94 
 95 DWORD WINAPI consumer(LPVOID)            //消費者線程
 96 {
 97     for (int i = 0; i < 200; i++) {
 98         int x;
 99         bool ok = b.get(x);
100         if (!ok) {
101             cout << GetCurrentThreadId() << " get: " << endl;
102         }
103     }
104     return 0;
105 }
106 
107 
108 DWORD WINAPI midder(LPVOID)                //即是生產者也是消費者線程
109 {
110     for (int i = 0; i < 200; i++) {
111         int x;
112         bool ok1 = a.get(x);
113         if (!ok1) {
114             cout << GetCurrentThreadId() << " get: " << endl;
115         }
116         bool ok = b.put(i);
117         if (!ok) {
118             cout << GetCurrentThreadId() << " put: " << i << endl;
119         }
120 
121     }
122     return 0;
123 }
124 
125 
126 int main()
127 {
128     HANDLE thread1 = CreateThread(NULL, 0, producer, 0, 0, NULL);
129     HANDLE thread2 = CreateThread(NULL, 0, midder, 0, 0, NULL);
130     HANDLE thread3 = CreateThread(NULL, 0, consumer, 0, 0, NULL);
131 
132     WaitForSingleObject(thread1, INFINITE);
133     WaitForSingleObject(thread2, INFINITE);
134     WaitForSingleObject(thread3, INFINITE);
135 
136     return 0;
137 }