Linux：多线程---深入生产消费模型&&环形队列生产消费模型
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- 序：在上一章中，我们通过同步的概念了解了条件变量的概念，并且对生产者消费者模型有了一定的认识，但仅仅是这样，我们对于生产者消费者模型的认识还是太浅显了，所以本章将深入生产者消费者模型，并用POSIX信号量来实现环形队列生产者消费者模型
1. 生产者消费者模型
1.1 深入生产消费模型
问题一：生产者的数据从哪里来？
用户，网络等，生产者生产的数据也是要花时间的！
消费者要不要对拿到的数据进行数据加工处理？要的，这也是要花时间的。
生产者：
1. 获取数据
2.生产数据到队列
消费者:
1. 消费数据
2. 对数据进行加工处理
问题二：生产消费模型为什么高效？生产消费模型，不是生产几个，然后消费几个吗？哪怕有不同的生产和消费策略，但是这哪里高效了？
当生产者持有锁时，他在生产数据，此时消费者难道就只能等待生产者生产数据到一个临界点，甚至生产满了吗？答案显然不是，消费者可以在未持有锁的阶段去将之前消费的数据进行加工处理呀！！！同理，当消费者持有锁时，生产者也不会傻傻的等待消费者将数据消费完，生产者会去获取数据！！！等到生产者持有锁时，再接着生产数据到队列内！！！所以这才是生产消费模型高效的原因，无论是生产者还是消费者，他们每时每刻都在完成任务，将空闲的时间利用上，这就是高效！！！
1.2 条件变量误唤醒
问题一：如果线程wait时，被误唤醒了呢？？
假设此时最多能够容纳10个资源，现在已经有9个了，如果调用pthread_cond_broadcast函数唤醒全部线程，三个线程就会对锁展开竞争，其中一个线程就会持有锁，然后生产一个资源后再释放锁，而另外两个线程此时已经不在等待队列了，而是在锁的队列下进行等待，此时锁被释放，两个线程中的其中一个就会得到锁，继续执行生产资源的任务，然后此时的资源已经满了（这种情况就叫做伪唤醒或者误唤醒），此时的另外两个线程，拿到锁后，并不是从位置1开始进行的，而是直接从位置2开始执行代码，这就会导致没有进行判断这一步，因为多个线程被唤醒后，这些线程就不在条件变量下等待了，所以访问的有序性也就没了。
而要解决这个问题，也很简单，只需要将if的判断条件换成while，这样即使是有伪线程，也会让伪线程再次进行判断，然后再次进入等待队列中进行等待。
2. POSIX信号量
2.1 信号量的概念
POSIX信号量和SystemV信号量作用相同，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源目的。 但POSIX可以用于线程间同步。
2.2 信号量的接口
初始化信号量：
对信号量进行初始化
第一个参数：传入系统定义的数据结构sem_t
第二个参数：是否为线程间共享，直接默认传0
第三个参数：表示信号量的数量（本质上是计数器）
销毁信号量：
释放信号量资源
第一个参数：直接传系统定义的数据结构sem_t
等待信号量：
获取信号量资源，对应信号量进行减减操作 — P操作
这里只讨论sem_wait函数，第一个参数直接传系统定义的数据结构sem_t
发布信号量：
释放信号量资源，对信号量进行加加操作 — V操作
第一个参数直接传系统定义的数据结构sem_t
信号量的使用：p（）操作 —> //访问资源 —> V（）操作 —> //释放资源
3. 环形队列生产消费模型
3.1 环形队列的概念
用数组模拟环形队列，有tail和head，head位置是添加元素的位置，满了和空的时候，tail和head指向的是同一个位置，所以无法判断是空还是满，第一种方法是添加计数器，第二种方法是空一个位置，加个判断temp=head+1；temp%20；判断head的下一个位置是不是tail，如果是就生产满了，就不允许生产了，反之则可以生产
其中消费者和生产者都是顺时针进行生产和消费，并且满足以下规则：
1. 指向同一个位置，只能由一个人访问（空：只能由生产者来访问环形队列，满：只能由消费者来访问环形队列）
2. 消费者不能超过生产者
3. 生产者不能把消费者套一个圈
只有当空和满的时候，生产者和消费者才会在同一个位置，当不空和不满的时候，生产者和消费者就不在同一个位置。
生产者关注什么资源？关注环形队列还有多少剩余空间（最开始SpaceSem：N）
消费者关注什么资源？关注环形队列还有多少剩余数据（最开始DataSem：0）
环形队列代码如下：
#pragma once #include<iostream> #include<vector> #include<semaphore.h> template<class T> class RingQueue { const static int defuatcap = 50; private: void P(sem_t &sem) { sem_wait(&sem); } void V(sem_t &sem) { sem_post(&sem); } void Lock(pthread_mutex_t &mutex) { pthread_mutex_lock(&mutex); } void Unlock(pthread_mutex_t &mutex) { pthread_mutex_unlock(&mutex); } public: RingQueue(int cap = defuatcap) :_ringqueue(cap) ,_cap(cap) ,_c_step(0) ,_p_step(0) { pthread_mutex_init(&_c_mutex,nullptr); pthread_mutex_init(&_p_mutex,nullptr); sem_init(&_c_data_sem,0,0); sem_init(&_p_space_sem,0,_cap); } void Push(const T &in)//生产 { P(_p_space_sem); Lock(_p_mutex); _ringqueue[_p_step] =in; //位置后移，维持环形特征 _p_step++; _p_step%=_cap; Unlock(_p_mutex); V(_c_data_sem); } void Pop(T *out)//消费 { P(_c_data_sem); Lock(_c_mutex); *out = _ringqueue[_c_step]; //位置后移，维持环形特征 _c_step++; _c_step%=_cap; Unlock(_c_mutex); V(_p_space_sem); } ~RingQueue() { pthread_mutex_destroy(&_c_mutex); pthread_mutex_destroy(&_p_mutex); sem_destroy(&_c_data_sem); sem_destroy(&_p_space_sem); } private: std::vector<T> _ringqueue; int _cap; int _c_step;//消费者下标 int _p_step;//生产者下标 sem_t _c_data_sem;//消费者关注的数据资源 sem_t _p_space_sem;//生产者关注的空间资源 pthread_mutex_t _p_mutex; pthread_mutex_t _c_mutex; }; 当环形队列为空时，只能进行生产动作，不能进行消费动作
当环形队列为满时，只能进行消费动作，不能进行生产动作
当环形队列不空不满时，生产者和消费者就实现了并发访问，能够同时进行
其中，对于先加锁还是先申请信号量，有两种方案：
方案一
方案二
首先，信号量的操作是原子的，是不需要加锁的，临界区代码能少就少，其次，如果先申请锁再申请信号量，如果信号量没有申请到，就会白费时间，而如果先进行申请信号量再申请锁，假设，有一个线程已经申请到锁了，正在进行生产，此时其他线程进来了，就不会干等待，等待锁的就绪，而是会先申请信号量，如果申请到了，只要锁一释放就能立马进行生产操作！！！，只有抢到了信号量资源，才需要被加锁，如果连信号量资源都没有申请到，就没必要加锁，加锁也是很耗资源的，所以选择第二个方案。
通俗点讲，如果将信号量比作票数，锁比作一个门，如果先排队，到门口再进行买票，就会出现排了半天发现没票了，进不去门里面，浪费了时间，而如果先买了票，让买了票的人进行排队，只要排到了就能立马进入门里面。
当环形队列不为空和不为满的时候，生产者和消费者只需要维持自身的互斥关系，不需要考虑对方。
总结：
本章深入探讨了生产者消费者模型，引入了生产者获取生产资料和消费者对消费数据进行加工的概念，而后又通过信号量实现了环形队列下的生产消费模型，深入探讨了加锁和PV操作的优先级的问题。
