9.3  实验内容——“生产者消费者”实验

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。通过学习经典的“生产者消费者”问题的实验,读者可以进一步熟悉Linux中的多线程编程,并且掌握用信号量处理线程间的同步和互斥问题。

 

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。他们分别不停地把产品放入缓冲区和从缓冲区中拿走产品。一个生产者在缓冲区满的时候必须等待,一个消费者在缓冲区空的时候也必须等待。另外,因为缓冲区是临界资源,所以生产者和消费者之间必须互斥执行。它们之间的关系如图9.4所示。

图9.4  生产者消费者问题描述

 

这里要求使用有名管道来模拟有限缓冲区,并且使用信号量来解决“生产者—消费者”问题中的同步和互斥问题。

 

3.实验步骤

(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表示有界缓冲区中的空单元数,初始值为N;full表示有界缓冲区中非空单元数,初始值为0;mutex是互斥信号量,初始值为1。

 

(2)画出流程图。

本实验流程图如图9.5所示。

图9.5  “生产者—消费者”实验流程图

 

(3)编写代码

本实验的代码中采用的有界缓冲区拥有3个单元,每个单元为5个字节。为了尽量体现每个信号量的意义,在程序中生产过程和消费过程是随机(采取0~5s的随机时间间隔)进行的,而且生产者的速度比消费者的速度平均快两倍左右(这种关系可以相反)。生产者一次生产一个单元的产品(放入“hello”字符串),消费者一次消费一个单元的产品。

 

/*producer-customer.c*/

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <fcntl.h>

#include <pthread.h>

#include <errno.h>

#include <semaphore.h>

#include <sys/ipc.h>

 

#define MYFIFO            "myfifo"     /* 缓冲区有名管道的名字 */

#define BUFFER_SIZE       3            /* 缓冲区的单元数 */

#define UNIT_SIZE         5             /* 每个单元的大小 */

#define RUN_TIME          30            /* 运行时间 */

#define DELAY_TIME_LEVELS     5.0     /* 周期的最大值 */

 

int fd;

time_t end_time;

sem_t mutex, full, avail;              /* 3个信号量 */

 

/*生产者线程*/

void *producer(void *arg)

{

     int real_write;

     int delay_time = 0;

     

     while(time(NULL) < end_time)

     {

          delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX) / 2.0) + 1;

          sleep(delay_time);

          /*P操作信号量avail和mutex*/

          sem_wait(&avail);

          sem_wait(&mutex);

          printf("\nProducer: delay = %d\n", delay_time);

          /*生产者写入数据*/

          if ((real_write = write(fd, "hello", UNIT_SIZE)) == -1)

          {

               if(errno == EAGAIN)

               {

                    printf("The FIFO has not been read yet.Please try later\n");

               }

          }

          else

          {

               printf("Write %d to the FIFO\n", real_write);

          }

          

          /*V操作信号量full和mutex*/

          sem_post(&full);

          sem_post(&mutex);

     }     

     pthread_exit(NULL);

}

/* 消费者线程*/

void *customer(void *arg)

     unsigned char read_buffer[UNIT_SIZE];

     int real_read;

     int delay_time;

     

     while(time(NULL) < end_time)

     {

          delay_time = (int)(rand() * DELAY_TIME_LEVELS/(RAND_MAX)) + 1;

          sleep(delay_time);

 

          /*P操作信号量full和mutex*/

          sem_wait(&full);

          sem_wait(&mutex);

          memset(read_buffer, 0, UNIT_SIZE);

                    printf("\nCustomer: delay = %d\n", delay_time);

 

          if ((real_read = read(fd, read_buffer, UNIT_SIZE)) == -1)

          {

               if (errno == EAGAIN)

               {

                   printf("No data yet\n");

               }

          }

          printf("Read %s from FIFO\n", read_buffer);

          /*V操作信号量avail和mutex*/

          sem_post(&avail);

          sem_post(&mutex);

     }

     pthread_exit(NULL);

}

 

int main()

{

     pthread_t thrd_prd_id,thrd_cst_id;

     pthread_t mon_th_id;

     int ret;

     

     srand(time(NULL));

     end_time = time(NULL) + RUN_TIME;

     /*创建有名管道*/

     if((mkfifo(MYFIFO, O_CREAT|O_EXCL) < 0) && (errno != EEXIST))

     {

          printf("Cannot create fifo\n");

          return errno;

     }               

     /*打开管道*/

     fd = open(MYFIFO, O_RDWR);

     if (fd == -1)

     {

          printf("Open fifo error\n");

          return fd;

     }     

     /*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, BUFFER_SIZE);

     /*初始化full信号量为0*/

     ret += sem_init(&full, 0, 0);

     if (ret != 0)

     {

          printf("Any semaphore initialization failed\n");

          return ret;

     }

     /*创建两个线程*/

     ret = pthread_create(&thrd_prd_id, NULL, producer, NULL);

     if (ret != 0)

     {

          printf("Create producer thread error\n");

          return ret;

     }

     ret = pthread_create(&thrd_cst_id, NULL, customer, NULL);

     if(ret != 0)

     {

          printf("Create customer thread error\n");

          return ret;

     }

     pthread_join(thrd_prd_id, NULL);

     pthread_join(thrd_cst_id, NULL);

     close(fd);

     unlink(MYFIFO);

     return 0;

}

 

4.实验结果

运行该程序,得到如下结果:

 

$ ./producer_customer

……

Producer: delay = 3

Write 5 to the FIFO

 

Customer: delay = 3

Read hello from FIFO

 

Producer: delay = 1

Write 5 to the FIFO

 

Producer: delay = 2

Write 5 to the FIFO

 

Customer: delay = 4

Read hello from FIFO

 

Customer: delay = 1

Read hello from FIFO

 

Producer: delay = 2

Write 5 to the FIFO

……