悠悠楠杉
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用信号量实现生产者-消费者模型的线程同步
07/05
一、为什么需要生产者-消费者模型？
在多线程编程中，当存在数据生产方和消费方时（比如日志系统、消息队列），直接粗暴的读写会导致数据竞争和资源浪费。想象这样的场景：
- 生产者疯狂生产数据，消费者来不及处理
- 消费者空转等待，浪费CPU资源
- 缓冲区溢出导致数据丢失
通过信号量实现的同步模型，能完美解决这些问题。下面用思维导图展示核心要素：
mermaid
graph TD
A[生产者线程] -->|写入数据| B[环形缓冲区]
B -->|读取数据| C[消费者线程]
D[空槽信号量] -.控制写入.-> A
E[数据信号量] -.控制读取.-> C
F[互斥锁] --> B
二、信号量的核心三板斧
POSIX信号量提供三种关键操作：
sem_init()：初始化信号量计数器sem_wait()：P操作（申请资源）sem_post()：V操作（释放资源）
对比互斥锁的差异：
- 信号量可以控制多个资源的访问
- 允许多个线程同时进入临界区（当计数>1时）
- 没有所有权概念
三、代码实现与逐行解析
```c
include <semaphore.h>
define BUF_SIZE 5
typedef struct {
int buffer[BUFSIZE];
semt empty; // 空槽信号量
semt full; // 数据信号量
semt mutex; // 缓冲区的互斥锁
int in, out;
} pc_buffer;
// 初始化缓冲区
void initbuffer(pcbuffer *b) {
sem_init(&b->empty, 0, BUF_SIZE);
sem_init(&b->full, 0, 0);
sem_init(&b->mutex, 0, 1);
b->in = b->out = 0;
}
// 生产者线程
void* producer(void arg) {
pc_buffer *b = (pc_buffer)arg;
while(1) {
int item = rand() % 100;
sem_wait(&b->empty); // 等待空槽
sem_wait(&b->mutex); // 进入临界区
b->buffer[b->in] = item;
b->in = (b->in + 1) % BUF_SIZE;
printf("Produced: %d\n", item);
sem_post(&b->mutex);
sem_post(&b->full); // 增加数据计数
}
}
// 消费者线程
void* consumer(void arg) {
pc_buffer *b = (pc_buffer)arg;
while(1) {
semwait(&b->full); // 等待数据
semwait(&b->mutex);
int item = b->buffer[b->out];
b->out = (b->out + 1) % BUF_SIZE;
printf("Consumed: %d\n", item);
sem_post(&b->mutex);
sem_post(&b->empty); // 增加空槽计数
}
}
```
关键点解析：
1. empty信号量初始值为缓冲区大小，代表可用空槽
2. full信号量初始为0，代表已填充数据量
3. 两个信号量的P/V操作形成"闸机"效果
4. 互斥锁仅保护缓冲区的读写操作
四、死锁预防的黄金法则
在实现过程中容易踩的坑：
1. 信号量顺序：必须先获取资源信号量，再获取互斥锁
- 如果顺序颠倒，可能导致所有线程持锁等待资源
2. 信号量配对：每个P操作必须有对应的V操作
3. 环形缓冲区设计：
c
in = (in + 1) % size // 实现循环写入
out = (out + 1) % size // 循环读取
五、性能优化实践
- 批量生产/消费：每次操作多个数据单元
- 双缓冲区策略：读写分离的乒乓缓冲区
- 无锁队列：在特定场景替代信号量
实验建议：通过
time ./program对比不同同步方式的性能差异，信号量实现通常比纯互斥锁方案快2-3倍。
通过这种设计，我们实现了：
✅ 无数据竞争的线程安全
✅ 生产消费的速率平衡
✅ 系统资源的高效利用
完整代码示例已上传Github（搜索"linux-producer-consumer"），欢迎Star和Issue讨论！
```
