信号量原理

• 之前我们知道被多个执行流同时访问的公共资源叫做临界资源，而临界资源不保护的话会造成数据不一性的问题。
• 之前我们用互斥锁保护临界资源是把这个临界资源当做一个整体，只能让1个执行流访问临界资源。现在我们把临界资源分割成多个区域，当多个执行流访问不同的区域，此时不会出现数据不一性的问题了。

信号量概念

信号量本质就是一个计数器，描述临界资源有效个数的计数器。

每个执行流先申请信号量，申请到信号量后同时访问临界资源，访问完后释放信号量。

信号量的PV操作:
P操作:我们将申请信号量的操作叫做P操作，申请信号量的本质就是有权限访问临界资源，申请成功后，P操作的本质就是让计数器–即可
V操作:将释放信号量叫做V操作，归还临界资源，V操作的本质是让计数器++

PV操作必须是原子的

执行流要申请信号量要先看到信号量，所以信号量本身就是临界资源。信号量是保护临界资源的，我们不能再用信号量去保护信号量，所以信号量的操作必须是原子的

申请信号量失败挂起等待

当执行流申请信号量时，可能此时信号量为0，说明信号量描述的临界资源被申请完了，那么这个执行流就要挂起等待，在信号量等待队列中等待，直到有信号量释放被唤醒

为什么使用信号量？

这样可以把临界资源分成多分，多执行流并行执行，提高了效率。

如何使用信号量呢？下面来看看信号量的一些函数

信号量函数

初始化信号量

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

参数说明：
pshared:0表示线程间共享，非零表示进程间共享
value：信号量初始值

销毁信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);

等待信号量

int sem_wait(sem_t *sem); //P()

等待信号量，会将信号量的值-1

释放信号量

int sem_post(sem_t *sem);//V()

释放信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了。将信号量值加1。

基于环形队列的生产消费模型

空间和数据资源

生产者关注的是空间资源，消费者关心的是数据资源

• 只要环形队列中有空间，生产者就可以进行生产
• 而环形队列中有数据，消费者就可以消费数据

我们不防设空间资源为block_sem,数据资源为data_sem,那么它们的初始值怎么设置呢？

现在是用信号量来描述队列中的空间和数据资源，刚开始队列中是没有数据的，所以给block_sem的初始值设为队列的空间，data_sem的初始值是0，因为刚开始队列为空没有数据的。

生产者和消费者申请、释放信号量

生产者申请空间资源，释放数据资源

生产者的操作步骤：

1.如果block_sem不为0，说明队列中有空间资源，生产者申请信号量成功，那么对应的操作就是P(block_sem),V(data_sem)。此时队列中多了1块空间，那么data_sem就要–，也就是V(data_sem)
2.如果block_sem为0，那么生产者申请信号量失败，此时生产者就要挂起等待，等待有新的空间资源

消费者申请数据资源，释放空间资源

消费者的操作步骤和生产者基本一样
1.消费者申请data_sem，若data_sem不为0，消费者申请信号量成功，对应的操作时P(data_sem),那么V(block_sem),释放的就是空间资源，因为数据占了相应的空间
2.若data_sem,消费者申请信号量失败，消费者挂起等待，等待新的数据资源。

生产者和消费者要遵守的规则

1.快的不能把慢的套1个圈
2.慢的不能超过快的

• 若生产者的速度比消费者的快，当生产者把队列生产满了，并再次遇到消费者。此时生产者再继续往前生产，那么再生产的数据就会覆盖掉，此时生产者就要挂起等待
• 同样的道理，消费者的速度快，当消费者把数据都消费完了再进行消费就会消费到垃圾数据，此时应该挂起等待生产者继续生产数据

模拟实现基于环形队列的生产者消费者模型

我们用STL中的vector来模拟环形队列，分为RunQueue.hpp和mian.cc
相关说明：

RunQueue.hpp

• 我们需要2个下标来标识生产者和消费者的位置，需要生产者消费者申请的资源，block_sem和data_sem
• 我们要提供2个接口，分别是入队列和出队列，生产者的P操作，P(block_sem),V(data_sem),消费者的P(data_sem),V(data_sem)
• 每当生产者生产1个空间，对应的生产者下标++,还要模上队列的空间，以防越界，消费者也是相同的操作

当2个下标指向相同的位置时，要么是刚开始为空，要么是其中1个速度快。当为空时，一定有1个申请信号量失败，同样当1个要超过令个是再申请信号量也会失败。因为信号量的本身就是1个计数器。

  1 #pragma once 
  2 
  3 #include<iostream>
  4 #include<pthread.h>
  5 #include<semaphore.h>
  6 #include<vector>
  7 #include<unistd.h>
  8 class Task
  9 {
 10   public:
 11     int x;
 12     int y;
 13   public:
 14     Task(int _x = 1,int _y = 10)
 15 
 16       :x(_x)
 17       ,y(_y)
 18     {}
 19     int run()                                                                                                                       
 20     {
 21       return x+y;
 22     }
 23     ~Task(){}
 24 };
 25 template<class T>
 26 class RunQueue
 27 {
 28   private:
 29     std::vector<T> v;
 30     int c_index;
 31     int p_index;
 32     int cap;
 33     sem_t block_sem;
 34     sem_t data_sem;
 35   public:
 36     RunQueue(int _cap = 6)
 37       :cap(_cap)
 38       ,c_index(0)
 39       ,p_index(0)
 40     {
 41       sem_init(&block_sem,0,cap);
 42       sem_init(&data_sem,0,0);
 43       v.resize(10);
 44     }
 45    void Push( T& data)
 46    {
 47      sem_wait(&block_sem);
 48      v[p_index] = data;
 49      p_index++;
 50      p_index %= cap;
 51      sem_post(&data_sem);
 52    }
 53    void Pop(T& data)
 54    {
 55       sem_wait(&data_sem);
 56       data = v[c_index];
 57       c_index++;
 58       c_index %= cap;
 59       sem_post(&block_sem);
 60    }
 61    ~RunQueue()
 62    {
 63      sem_destroy(&block_sem);
 64      sem_destroy(&data_sem);
 65    }
 66 
 67                                                                                                                                     
 68 };

main.cc

• 主函数的话，创建2个线程，生产者生产数据，消费者消费数据即可

    1 #include"RunQueue.hpp"
    2 void* Consumer(void* arg)
    3 {
    4    //RunQueue<int>* rq = (RunQueue<int>*)arg;
    5    RunQueue<Task>* rq = (RunQueue<Task>*)arg;
    6    while(true)
    7    {
    8      int x,y;
    9      Task t;
   10      rq->Pop(t);
   11      std::cout<<"Consumer done:"<<t.x<<"+"<<t.y<<"="<<t.run()<<std::endl;                                                         
   12      sleep(1);
   13    }
   14 }
   15 void* Product(void* arg)
   16 {
   17    //RunQueue<int>* rq = (RunQueue<int>*)arg;
   18    RunQueue<Task>* rq = (RunQueue<Task>*)arg;
   19    while(true)
   20    {
   21      int x = rand() % 10 + 1;
   22      int y = rand() % 100 + 1;
   23      Task t(x,y);
   24      rq->Push(t);
   25      std::cout<<"Product done:"<<x<<"+"<<y<<"=?"<<std::endl;
   26    }
   27 }
   28 int main()
   29 {
   30   RunQueue<int> *rq = new RunQueue<int>;
   31 
   32   pthread_t c,p;
   33   pthread_create(&c,nullptr,Consumer,rq);
   34   pthread_create(&c,nullptr,Product,rq);
   35 
   36   pthread_join(c,nullptr);
   37   pthread_join(p,nullptr);
   38   delete rq;
   39   return 0;
   40 }   

先让消费者慢，生产者一下就把任务生产完，消费者开始做任务

这次让消费者快，生产者慢

刚开始没有数据，消费者刚进入申请数据资源失败挂起等待，生产者申请空间成功，生产者生产一个任务，消费者消费一个任务。
如果想要是多生产者和多消费者参考我上一篇生产者和消费者即可，这里博主就不加了。