生产者与消费者模型：餐厅吃饭问题

14天阅读挑战赛

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目录

一、算法简介

二、所需接口

1.头文件

2.接口简介

2.1线程控制

2.2互斥锁

2.3条件变量

三、实现流程

1.顾客流程

2.厨师流程

3.注意事项★

四、代码实现

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一、算法简介

        利用多线程实现生产者消费者模型，模拟实现餐厅吃饭问题。

        顾客作为消费者，负责吃饭；厨师作为生产者，负责做饭。

二、所需接口

1.头文件

#include

2.接口简介

2.1线程控制

（1）线程创建：

int pthread_create(pthread_t *tid, pthread_arr_t *arr, void* (*thread_routine)(void *), void *arg);

        pthread_t *tid：传入pthread_t类型变量的地址，获取线程id；

        pthread_arr_t *arr：线程属性，通常置为NULL；

        void* (*thread_routine)(void *)：函数地址，线程的入口函数

        void *arg：向线程入口函数传递的参数。

        返回值：成功，返回0；失败，返回非0。

tid相关知识：

        每个线程都会有自己相对独立的一块空间作为自己的局部存储。

        创建线程时，返回的tid的值就是这块空间的首地址，所以通过tid就能找到这块空间，进而访问其中的数据实现对线程的控制操作。

（2）线程终止：

线程终止：退出线程

1）在线程入口函数中return

        线程的入口函数运行完毕，对应线程就会退出。

2）在任意位置调用pthread_exit函数

void pthread_exit(void *retval);

        retval：线程的退出返回值

3）在任意位置调用pthread_cancel函数

int pthread_cancel(pthread_t tid);

        tid：想要退出的线程的tid

返回值：

        如果一个线程是被取消的，则这个线程的返回值是：PTHREAD_CANCELED

功能：取消指定的线程

（3）线程等待：

int pthread_join(pthread_t tid, void **retval);

        tid：要等待的线程tid；

        void **retval：用于获取线程退出返回值

返回值：

        成功，返回0；失败，返回错误编号（非0）

2.2互斥锁

定义互斥锁：

        pthread_mutex_t;

通过接口初始化：

        pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, pthread_mutexattr_t *);

                属性通常置为NULL；

阻塞加锁：

        int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

解锁：

        int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

释放锁资源：

        int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

2.3条件变量

定义条件变量：

        pthread_cond_t;

初始化条件变量：

        int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *attr);

阻塞接口：

        int pthread_cond_wait( int pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

        此接口集合了三个操作：解锁、休眠，被唤醒后加锁

唤醒接口：

        int pthread_cond_signal(pthread_cond_t cond);

        唤醒至少一个被阻塞的线程。

        int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

        唤醒所有被阻塞的线程。

释放条件变量资源：

        int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

三、实现流程

1.顾客流程

        1）加锁；

        2）判断当前是否有饭可吃

                有，则吃饭；没有，则等待。等待前需要先解锁；被唤醒后，加锁。

        3）吃饭；

        4）解锁；

        5）唤醒厨师。

2.厨师流程

        1）加锁；

        2）判断当前是否需要做饭

                需要，则做饭；不需要，则等待。等待前需要先解锁；被唤醒后，加锁。

        3）做饭；

        4）解锁；

        5）唤醒顾客。

3.注意事项★

在多对多的情况下：

        1）因为一个厨师可能一次唤醒了多个顾客，造成多个顾客抢锁，但是只有一个顾客会抢锁成功，其他顾客则会阻塞在锁上；抢锁成功的顾客在吃完饭后解锁，时间片轮转，下一次抢到锁的则可能不是厨师，而是刚刚阻塞在锁上的顾客，则会出现“假”吃饭现象，同理也可能出现“假”做饭现象。

        解决方案：任意角色在每次加锁后，都应该重新循环上去，再次对资源进行判断是否满足获取条件。满足，则获取；不满足，则重新陷入休眠。

        2）顾客和厨师在不满足条件时，都会阻塞，加入阻塞队列等待被唤醒。但是存在一种可能：一个顾客吃完饭后，唤醒的不是厨师，而是顾客，这时两个顾客就会因为没有饭而重新陷入阻塞，从而导致程序卡死。

        解决方案：多种角色线程，则使用多个条件变量，创建多个pcb等待队列。分开等待、分开唤醒，防止错误的角色唤醒。

四、代码实现

#include<stdio.h>        
#include<pthread.h>
 
int dish = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond_cus;
pthread_cond_t cond_chef;
 
void *customer(void *arg) {//顾客执行流
  while (1) {
    //1.加锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (dish == 0) {//没有饭菜，则阻塞等待
      pthread_cond_wait(&cond_cus, &mutex);
    }
    //2.吃饭菜，然后解锁、唤醒厨师
    dish = 0;
    printf("吃到青椒肉丝盖饭！没吃饱，再来一份！\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_cond_signal(&cond_chef);//唤醒厨师
  }
}
 
void *chef(void *arg) {
  while (1) {
    //1.加锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (dish == 1) {//多对多时，这里必须用while判断，不能用if
      pthread_cond_wait(&cond_chef, &mutex);
    }
    //2.做饭菜，然后解锁、唤醒顾客
    dish = 1;
    printf("青椒肉丝盖饭好了！\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_cond_signal(&cond_cus);//唤醒顾客
  }
}
 
int main() {
  int ret;
  pthread_t customer_tid[4], chef_tid[4];//顾客线程&厨师线程
 
  //初始化互斥锁和条件变量
  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
  pthread_cond_init(&cond_cus, NULL);
  pthread_cond_init(&cond_chef, NULL);
 
  //创建顾客线程&厨师线程
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    ret = pthread_create(&customer_tid[i], NULL, customer, NULL);
    if (ret != 0) {
      printf("Create customer thread error!\n");
      return -1;
    }
 
  }
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    ret = pthread_create(&chef_tid[i], NULL, chef, NULL);
    if (ret != 0) {
      printf("Create chef thread error!\n");
      return -1;
    }
  }
 
  //线程等待
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    pthread_join(customer_tid[i], NULL);
    pthread_join(chef_tid[i], NULL);
 
  }
 
  //销毁资源
  pthread_mutex_destroy(&mutex);
  pthread_cond_destroy(&cond_cus);
  pthread_cond_destroy(&cond_chef);
  return 0;
}