C++ 模拟生产者与消费者模式等

设计并实现一个进程，该进程拥有一个生产者线程和一个消费者线程，它们使用N个不同的缓冲区（N为一个确定的数值，例如N=32）。需要使用如下信号量：
一个互斥信号量，用以阻止生产者线程和消费者线程同时操作缓冲区列表；
一个信号量，当生产者线程生产出一个物品时可以用它向消费者线程发出信号；
一个信号量，消费者线程释放出一个空缓冲区时可以用它向生产者线程发出信号。

主要程序结构

#include<iostream>
#include<Windows.h>
#include<process.h>
#include<vector>
using namespace std;

// 等价于WINAPI，约定使用stdcall函数调用，既被调用者负责清栈
#define STD __stdcall
// 确定缓冲区大小，这里选取5，便于展示和说明结果
#define LENGTH 5
// 随机时间
#define GETMYRAND() (int)(((double)rand()/(double)RAND_MAX)*300)

// 使用临界区来同步线程
CRITICAL_SECTION _cr;
//空信号量
HANDLE emptySemaphore = NULL;
//满信号量
HANDLE fullSemaphore = NULL;
// 缓冲区Buffer
vector<int> buffer;

// 消费者线程
DWORD STD Consumer(void* lp) {
while(true) {
    //等待判断缓冲区满的信号量
    WaitForSingleObject(fullSemaphore,0xFFFFFFFF);
    //进入临界区，线程同步，功能同互斥量 
    EnterCriticalSection(&_cr);
    //消费者线程从缓冲区中取出消费一个资源
    buffer.pop_back();
    //打印当前缓冲区可用资源数
    cout << "消费者消费一个资源，当前可用资源数：" << buffer.size() << endl;
    //离开临界区
    LeaveCriticalSection(&_cr);
    //释放判断缓冲区空的信号量
    ReleaseSemaphore(emptySemaphore,1,NULL);
    //线程睡眠随机时间
    Sleep(GETMYRAND());
}
return 0;
}

// 生产者线程
DWORD STD Producer(void* lp) {
while(true){
    //等待判断缓冲区空的信号量
    WaitForSingleObject(emptySemaphore, 0xFFFFFFFF);
    //进入临界区，线程同步，功能同互斥量 
    EnterCriticalSection(&_cr);
    //生产者线程向缓冲区中生成一个资源
    buffer.push_back(1);
    //打印当前缓冲区可用资源数
    cout << "生产者新生产一个资源，当前可用资源数：" << buffer.size() << endl;
    //离开临界区
    LeaveCriticalSection(&_cr);
    //释放判断缓冲区满的信号量
    ReleaseSemaphore(fullSemaphore, 1, NULL);
    //线程睡眠随机时间
    Sleep(GETMYRAND());
}
    return 0;
}

int main() {

//创建信号量
emptySemaphore = CreateSemaphore(NULL, LENGTH, LENGTH, NULL);
fullSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 0, LENGTH, NULL);

//初始化临界区
InitializeCriticalSection(&_cr);
//开启多线程
HANDLE handles[2];
handles[1] = CreateThread(0, 0, &Producer, 0, 0, 0);
handles[0] = CreateThread(0, 0, &Consumer,  0, 0, 0);

//等待子线程执行完毕
WaitForMultipleObjects(2, handles, true, INFINITE); //"Join" trreads
//释放子线程
CloseHandle(handles[0]);
CloseHandle(handles[1]);
//释放临界区
DeleteCriticalSection(&_cr);
return 0;
}

一、生产者消费者线程互斥

使用critical area(临界区)来保证生产者和消费者的线程彼此互斥：

图片.png

在多线程开启前后分别初始化临界区和销毁临界区。
接下来，在生产者线程函数和消费者线程函数对缓冲区进行操作的代码前后启用临界区和离开临界区，来做到两个线程间互斥同步。

图片.png

最终效果是，虽然两个线程都通过死循环不断执行循环体中代码，但是在其中一个线程执行临界区代码时，另一个线程被互斥阻塞。

图片.png

二、生产者、消费者分别在“满”和“空”时阻塞

生产者线程得到emptySemaphore信号量时,其计数器-1，开始生产资源。在生产结束后，使fullSemaphore的计数器+1。
消费者线程得到fullSemaphore信号量时,其计数器-1，开始生产资源。在生产结束后，使emptySemaphore的计数器+1。
通过上面所述过程，使用emptySemaphore和fullSemaphore两个信号量可以做到资源生产满时生产者阻塞，资源消费完时消费者阻塞的功能。