2026/2/15 11:07:44
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在多线程编程中,我们经常会遇到需要线程之间协同工作的情况。例如,一个线程负责生产数据,另一个线程负责消费数据。如果生产者生产过快,消费者来不及处理;或者消费者消费过快,生产者还没来得及生产,都…各类资料学习下载合集链接:https://pan.quark.cn/s/b0a2f36933de在多线程编程中,我们经常会遇到需要线程之间协同工作的情况。例如,一个线程负责生产数据,另一个线程负责消费数据。如果生产者生产过快,消费者来不及处理;或者消费者消费过快,生产者还没来得及生产,都会导致问题。这时,生产者-消费者模型就成为了解决此类并发协作问题的经典范式。一、 生产者-消费者模型:解决并发协作的经典范式1. 模型基本结构生产者-消费者模型由以下三部分组成:生产者线程 (Producer):负责生成数据,并将其放入一个公共区。消费者线程 (Consumer):负责从公共区取出数据,并进行处理。公共区 (Shared Buffer/Queue):一个共享的数据存储区域,连接生产者和消费者。2. 典型示例餐厅场景:厨师 (生产者):烙饼,然后将烙好的饼放入一个筐中 (公共区)。食客 (消费者):从筐中取出饼来吃。电商库存管理:商家 (生产者):向仓库 (公共区)补货。买家 (消费者):从仓库购买商品。这个模型具有良好的扩展性,可以支持多个生产者和多个消费者同时操作同一个公共区。3. 模型中的挑战核心挑战在于如何实现生产者和消费者之间的同步与互斥:互斥:生产者和消费者在访问公共区时,必须互斥,防止数据混乱。同步:当公共区为空时,消费者必须等待生产者生产数据。当公共区为满时,生产者必须等待消费者消费数据。二、 条件变量:模型中的“等待-通知”机制条件变量(Condition Variable)是解决生产者-消费者模型中“同步”问题的关键。它本身不是锁,但能让线程阻塞等待某个条件成立,并与互斥锁配合使用。1.pthread_cond_wait函数的“三重作用”这是条件变量实现同步的核心函数,它具备原子性的“三重作用”:阻塞等待:将调用线程置于条件变量的等待队列中,使其进入阻塞状态。原子解锁:在线程阻塞的同时,原子性地释放它之前持有的互斥锁。这个原子操作至关重要,它确保了线程在进入等待状态之前不会错过任何信号。重新加锁:当条件满足线程被唤醒时,它会重新获取该互斥锁,只有成功获取后函数才会返回。使用前提:调用pthread_cond_wait()之前,线程必须已经持有其配套的互斥锁。2.signal与broadcast:唤醒策略pthread_cond_signal():设计意图:唤醒一个阻塞在条件变量上的线程。实际实现:虽然标准规定唤醒一个,但某些实现中可能唤醒多个线程(即“虚假唤醒”)。因此,在wait之后,必须使用while循环而非if语句来重新检查条件。pthread_cond_broadcast():设计意图:唤醒所有阻塞在条件变量上的线程。考虑:可能导致“惊群效应”(Thundering Herd),即大量线程被唤醒后争抢资源,造成不必要的上下文切换。根据具体场景选择使用。三、 代码实战:多生产者多消费者模型我们将实现一个经典的多生产者、多消费者、有界缓冲区模型。1. 代码示例 (prod_cons_cond.c)#includestdio.h#includestdlib.h#includepthread.h#includeunistd.h#includetime.h// For time()#defineBUFFER_SIZE5// 缓冲区大小#defineNUM_PRODUCERS2// 生产者数量#defineNUM_CONSUMERS3// 消费者数量