生產者與消費者模式（線程的同步與互斥）

死鎖產生的四個條件：

1、互斥使用（資源獨占） 

一個資源每次只能給一個進程使用 

.2、不可強占（不可剝奪） 

資源申請者不能強行的從資源占有者手中奪取資源，資源只能由占有者自愿釋放 

.3、請求和保持（部分分配，占有申請） 

一個進程在申請新的資源的同時保持對原有資源的占有（只有這樣才是動態申請，動態分配） 

.4、循環等待 

存在一個進程等待隊列 

{P1 , P2 , … , Pn}, 

其中P1等待P2占有的資源，P2等待P3占有的資源，…，Pn等待P1占有的資源，形成一個進程等待環路

生產者：生產數據

消費者：消費數據

提供場所：緩沖區，eg:超市

生產者消費者特點：三種關系，兩類人，一個場所

三種關系指的是：生產者與生產者之間是互斥關系

        消費者與消費者之間是互斥關系

        生產者與消費者之間是同步與互斥關系

兩類人：生產者，消費者

一個場所：存儲數據（此處用帶頭單鏈表實現）

單生產者單消費者模式：此例取數據方式為LIFO后進先出,所取數據為最后一個生產的數據（也可選擇所取數據為最先生產的數據，可自行選擇）

互斥鎖相關函數：

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);//非阻塞形式獲取鎖

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

//1.使用互斥鎖實現
#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<pthread.h>
typedef int  _dataType_;
typedef int*  _dataType_p_;
typedef struct _node
{
    _dataType_ data;
    struct _node* next;
}node,*nodep,**nodepp;
nodep head=NULL;
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
nodep  buyNode(_dataType_ val)
{
    nodep tmp=(nodep)malloc(sizeof(node));
    if(tmp!=NULL)
    {
        tmp->data=val;
        tmp->next=NULL;
        return tmp;
    }
    return NULL;
}
void init(nodepp head)
{
    *head=buyNode(0);
}
void push_list(nodep head,_dataType_ val)
{
    nodep tmp=buyNode(val);
    tmp->next=head->next;
    head->next=tmp;
}
int pop_list(nodep head,_dataType_p_ pval)
{
    if(head->next==NULL)
        return -1;
    nodep del=head->next;
    *pval=del->data;
    head->next=del->next;
    free(del);
    return 0;
}
void* product(void* arg)
{
    _dataType_  i=0;
    while(1)
    {
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        push_list(head,i++);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    pthread_exit((void*)1);
}
void* consumer(void* arg)
{
    _dataType_ val=0;
    while(1)
    {
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(pop_list(head,&val)==-1)
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            continue;
        }
        printf("data:%d\n",val);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    pthread_exit((void*)1);
}
int main()
{
    pthread_t tid1,tid2;
    init(&head);
    pthread_create(&tid1,NULL,product,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,consumer,NULL);
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    free(head);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

//2.使用條件變量實現生產者消費者模式

條件變量：基于互斥鎖實現同步與互斥

一個條件變量總是和一個Mutex搭配使用。 

一個線程可以調用pthread_cond_wait在一個Condition Variable上阻塞等待,這個函數做以下三步操作:
1. 釋放Mutex
2. 阻塞等待
3. 當被喚醒時,重新獲得Mutex并返回

條件變量相關函數：

#include <pthread.h>

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

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

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,

             const struct timespec *restrict abstime);

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

pthread_cond_timedwait函數還有一個額外的參數可以設定等待超時,如果到達了abstime所指
定的時刻仍然沒有別的線程來喚醒當前線程,就返回ETIMEDOUT。

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

一個線程可以調用pthread_cond_signal喚醒在某個Condition Variable上等待的另一個線程,也可以調用pthread_cond_broadcast喚醒在這個Condition Variable上等待的所有線程。

#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<pthread.h>
typedef int  _dataType_;
typedef int*  _dataType_p_;
typedef struct _node
{
    _dataType_ data;
    struct _node* next;
}node,*nodep,**nodepp;
nodep head=NULL;
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
nodep  buyNode(_dataType_ val)
{
    nodep tmp=(nodep)malloc(sizeof(node));
    if(tmp!=NULL)
    {
        tmp->data=val;
        tmp->next=NULL;
        return tmp;
    }
    return NULL;
}
void init(nodepp head)
{
    *head=buyNode(0);
}
void push_list(nodep head,_dataType_ val)
{
    nodep tmp=buyNode(val);
    tmp->next=head->next;
    head->next=tmp;
}
int pop_list(nodep head,_dataType_p_ pval)
{
    if(head->next==NULL)
        return -1;
    nodep del=head->next;
    *pval=del->data;
    head->next=del->next;
    free(del);
    return 0;
}
void* product(void* arg)
{
    _dataType_  i=0;
    while(1)
    {
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        push_list(head,i++);
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    pthread_exit((void*)1);
}
void* consumer(void* arg)
{
    _dataType_ val=0;
    while(1)
    {
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(pop_list(head,&val)==-1)
            pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
        printf("data:%d\n",val);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    pthread_exit((void*)1);
}
int main()
{
    pthread_t tid1,tid2;
    init(&head);
    pthread_create(&tid1,NULL,product,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,consumer,NULL);
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    free(head);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

//3.使用環形buf存儲數據，信號量的使用

信號量相關函數：

信號量(Semaphore)和Mutex類似,表示可用資源的數量,和Mutex不同的是這個數量可以大于1

#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

int sem_destroy(sem_t *sem);

int sem_wait(sem_t *sem);//類似P操作

int sem_trywait(sem_t *sem);

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

int sem_post(sem_t *sem);//類似V操作

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#define _SEM_PRO_ 20
#define _SEM_COM_ 0
typedef int  _dataType_;
_dataType_ blank[_SEM_PRO_];
sem_t sem_product;
sem_t sem_consumer;
void* product(void* arg)
{
    int index=0;
    int count=0;
    while(1)
    {
        sleep(rand()%5);
        sem_wait(&sem_product);
        blank[index++]=count++;
        sem_post(&sem_consumer);
        index%=_SEM_PRO_;
    }
    pthread_exit((void*)1);
}
void* consumer(void* arg)
{
    int index=0;
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem_consumer);
        printf("data:%d\n",blank[index++]);
        sem_post(&sem_product);
        index%=_SEM_PRO_;
    }
    pthread_exit((void*)1);
}
int main()
{
    pthread_t tid1,tid2;
    sem_init(&sem_product,0,20);
    sem_init(&sem_consumer,0,0);
    pthread_create(&tid1,NULL,product,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,consumer,NULL);
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    sem_destroy(&sem_product);
    sem_destroy(&sem_consumer);
    return 0;
}

//4.多生產者，多消費者模式

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#define _SEM_PRO_ 20
#define _SEM_COM_ 0
typedef int  _dataType_;
_dataType_ blank[_SEM_PRO_];
sem_t sem_product;
sem_t sem_consumer;
pthread_mutex_t mutex_product=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex_consumer=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* product(void* arg)
{
    int index=0;
    int count=0;
    while(1)
    {
        sleep(rand()%5);
        sem_wait(&sem_product);
        pthread_mutex_lock(&mutex_product);
        printf("%d thread id doing\n",(int)arg);
        blank[index++]=count++;
        index%=_SEM_PRO_;
        pthread_mutex_unlock(&mutex_product);
        sem_post(&sem_consumer);
    }
    pthread_exit((void*)1);
}
void* consumer(void* arg)
{
    int index=0;
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem_consumer);
        pthread_mutex_lock(&mutex_consumer);
        printf("%d thread is consumer,data:%d\n",(int)arg,blank[index++]);
        index%=_SEM_PRO_;
        pthread_mutex_unlock(&mutex_consumer);
        sem_post(&sem_product);
    }
    pthread_exit((void*)1);
}
int main()
{
    pthread_t tid1,tid2,tid3,tid4;
    sem_init(&sem_product,0,20);
    sem_init(&sem_consumer,0,0);
    pthread_create(&tid1,NULL,product,(void*)1);
    pthread_create(&tid2,NULL,consumer,(void*)2);
    pthread_create(&tid3,NULL,product,(void*)3);
    pthread_create(&tid4,NULL,consumer,(void*)4);
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    pthread_join(tid3,NULL);
    pthread_join(tid4,NULL);
    sem_destroy(&sem_product);
    sem_destroy(&sem_consumer);
    pthread_mutex_destroy(&mutex_product);
    pthread_mutex_destroy(&mutex_consumer);
}

運行結果顯示：