基本概念

提到生产者和消费者，我们最有可能想到的是商店卖东西，顾客在货架上(缓冲区）买东西。
生产者消费者问题，其实是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程—即所谓的“生产者”和“消费者”–在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放在缓冲区中，消费者在缓冲区消耗这些数据。但是，要保证生产者不会在缓冲区满时还往缓冲区写数据，消费者也不会在缓冲区为空时读数据。

三种关系

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• 生产者与消费者之间是供求关系（互斥和同步）
• 生产者与生产者之间是竞争关系（互斥）
• 消费者与消费者之间是竞争关系（互斥）

我们简单解释一下三种关系。假如我们现在在一家超市，我们们想要买一箱牛奶。牛奶生产商（生产者）生产了牛奶，经超市工作人员把牛奶摆放在了货架上，在这个过程过我们（消费者）不能买牛奶，要等待工作人员摆好货物，所以此时生产者与消费者是互斥关系。工作人员摆好货物后，我们（消费者）去购买，此时生产者与消费者是同步关系。
一个货架上只能摆一个品牌的货物，怒能摆其他的，此时生产者与生产者之间是互斥关系。
两个或多个顾客不能同时买一个货物，此时消费者与消费者之间是互斥关系。

我们可以用两种方法实现生产者与消费者模型。

基于单链表的生产者消费者模型

我们用两个线程分别表示生产者与消费者，用单链表表示缓冲区。
生产者生产数据，插入到单链表的头部。
消费者消费数据，从单链表的头部读数据。

条件变量

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条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，只要包括两个动作：一个线程等待”条件变量的条件成立”而挂起；另一个线程使”条件成立(给出条件成立信号)。
为了放置竞争，条件变量的使用总和一个互斥锁结合在一起。

条件变量的类型为 pthread_cond_t.
条件变量的初始化：

1.直接定义一个全局的条件变量，并利用宏PTHREAD_COND_INITIALIZER进行值得初始化。

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

2.调用函数pthread_cond_init

#include<pthread.h>
pthread_cond_init (pthread_cond_t *restrict cond,
              const pthread_condattr_t *restrict attr);

第一个参数即为我们动态分配的条件变量cond，除非创建一个非默认属性的条件变量，否则第二个参数attr始终为NULL；
注意：若不想讲条件变量定义成全局的，必须以动态分配的方式创建。

pthread_cond_t *cond = (pthread_cond_t*)malloc(sizeof(pthread_cond_t));

注意：使用此种方式，先destroy条件变量，再free这块空间。

3.销毁条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t* cond);

参数cond指针即指向我们创建的条件变量。
4.等待
我们使用pthread_cond_wait或pthread_cond_timewait函数等待条件变量变为真。

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_wait，其第一个参数是指向条件变量的指针，第二个参数是一个指向互斥锁的指针。在上面提到过，条件变量总是和一把互斥锁协同使用的。目的是为了防止资源的竞争。
生产者与消费者之间是同步互斥关系的，他们不能同时访问缓冲区，所以我们需要一把锁来约束他们。
假如我们此时有两个消费者A,B在等待资源，生产者申请到了”锁“，并且生产了一个产品，释放锁。并发送信号告诉消费者你们可以来消费了。
假如消费者A 率先抢到锁，买走了产品。B再申请到锁时，发现已经没有产品了，只能等待条件变量为真时，买产品。此时锁在B身上，如果B一直在等待，一直不释放锁时，会造成生产者申请不到锁而造成“死锁”。所以wait的第二个参数就是当消费者在申请到锁时，条件变量为假时，及时的释放锁资源。
wait函数是无条件等待。在条件变量为假时，会一直等下去。timedwait是有条件等待，它多定义了一个超时，超时值定义了我们愿意等待多长时间。它通过timespec决定。

5.发送信号

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

当生产者生产完毕后需要通知消费者。发送信号有两种方式。signal是根据某种优先级唤醒一个等待者。broadcast是在资源充足的情况下进行广播，唤醒所有等待者。

代码实现：

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>

typedef struct _list
{
    struct _list *next;
    int _val;
}product_list;

product_list *head = NULL;
static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t need_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void Init_list(product_list* list)
{
    if(list != NULL)
    {
        list -> next = NULL;
        list -> _val = 0;
    }
}

void* Consumer(void* _val)
{
    product_list *p = NULL;
    for(;;)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while(head == NULL)
        {
            pthread_cond_wait(&need_product,&lock);
        }
        p = head;
        head = head -> next;
        p -> next = NULL;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        printf("Consum success,val is:%d\n",p -> _val);
        free(p);
    }
    return NULL;
}

void* Product(void* _val)
{
    for(;;)
    {
        sleep(rand() % 2);
        product_list* p =malloc(sizeof(product_list));
        pthread_mutex_lock(&lock);
        Init_list(p);
        p -> _val = rand() % 1000;
        p -> next = head;
        head = p;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        printf("Call consumer! Product has producted,val is:%d\n",p->_val);
        pthread_cond_signal(&need_product);
    }
}

int main()
{
    pthread_t t_product;
    pthread_t t_consumer;
    pthread_create(&t_product,NULL,Product,NULL);
    pthread_create(&t_consumer,NULL,Consumer,NULL);

    pthread_join(t_product,NULL);
    pthread_join(t_consumer,NULL);
    return 0;
}

基于环形队列的生产者消费者模型

除了基于单链表的生产者与消费者模型，我们还可以利用信号量实现生产者消费者模型。

原理

生产者在空格子上生产数据。
消费者在有商品的格子上消费数据。
注意：

• 生产者先进行生产。
• 当消费者没有数据要消费时，需等待生产者生产。
• 当生产者把缓冲区充满时，需等待消费者消费，出现空格子时在生产。
  

操作函数

#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);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);

初始化信号量sem_init，参数value为信号量的值，参数pshared一般设为0，表示信号量用于同一进程内线程间同步。摧毁信号量sem_destroy。P操作（申请资源）sem_wait，使信号量的值-1。V操作（释放资源）sem_post，使信号量的值+1。sem_trywait是尝试申请资源。

代码实现

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>

#define _SIZE_ 5
sem_t blanks; //表示格子的信号量
sem_t datas;  //表示商品的信号量
int buf[_SIZE_] ={ 0 };

//生产者
void* product(void* arg)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {

        usleep(500000);
        sem_wait(&blanks); //生产者申请格子资源
        int data = rand()%1000;
        buf[i] = data;
        printf("Product is:%d\n",data);
        sem_post(&datas); //每生产一个商品就需要对商品信号量+1

        ++i;
        i %= _SIZE_;
    }
}

//消费者
void* consumer(void* arg)
{
    int i = 0;
    while(1)
    {

        usleep(500000);   
        sem_wait(&datas);  //消费者申请商品资源
        printf("Consumer is%d\n",buf[i]);
        sem_post(&blanks); //买走一个商品，就多了一个空格子

        ++i;
        i %= _SIZE_;
    }
}

int main()
{
    sem_init(&blanks,0,_SIZE_);
    sem_init(&datas,0,0);
    pthread_t _consumer;
    pthread_t _product;
    pthread_create(&_consumer,NULL,consumer,NULL);
    pthread_create(&_product,NULL,product,NULL);
    pthread_join(_consumer,NULL);
    pthread_join(_product,NULL);
    sem_destroy(&blanks);
    sem_destroy(&datas);
    return 0;
}