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生产者与消费者问题算法 C++（一对多）

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文章目录

前言

一、实验内容

二、背景知识

三、思路

四、核心代码

1.生产者类

2.1 消费者子类1

2.2 消费者子类2

2.3 消费者子类3

3.主函数

五、源代码

六、运行结果

​编辑

七.结论

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

前言

一、实验内容

1.问题描述

一组生产者向多组消费者提供消息，它们共享一个有界缓冲池，生产者向其中投放消息，消费者从中取得消息。假定这些生产者和消费者互相等效，只要缓冲池未满，生产者可将消息送入缓冲池,只要缓冲池未空，消费者可从缓冲池取走一个消息。

2.功能要求

根据进程同步机制，编写一个解决上述问题的程序，可显示缓冲池状态、放数据、取数据等过程。 

二、背景知识

生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了共享固定大小缓冲区的两个线程——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到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

三、思路

要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。通常采用进程间通信的方法解决该问题，常用的方法有信号灯法[1]等。如果解决方法不够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能被推广到多个生产者和消费者的情形。

四、核心代码

数据说明

int mutex = 1;			//互斥信号量
			  			// mutex =1 代表进程空闲, mutex =0代表进程正在使用 
int full;				//缓冲区非空个数
const int n = 5;		//缓冲区大小为 10 
int empty = n;			//空缓冲区个数
char buffer[n];			//定义缓冲区
int pfull = 0;			//产品资源非空信号量
						//可用于多生产者时进行区分产品类不同对应的消费 
int in = 0, out = 0;	//定义存取指针的初始位置
						// in 指定生产产品当前的位置， out 指定消费产品当前的位置
int choose = 1;			//选择,首次产生产品P

1.生产者类

//生产者类 
class Producer
{
	private:
		int m_mutex;
		int m_full;
		int m_pfull;
		int m_in;
		
	public:
		Producer( int mu, int fu, int pfu, int pin )
		{
			m_mutex = mu;
			m_full = fu;
			m_pfull = pfu;
			m_in = in;
		}
		void showP()
		{
			if( mutex == 1 )//mutex = 1代表没有进程进行
			{
			if( full == n )//进程满了 
			{
				cout << "缓冲区空间已满！" << endl;
				exit( 0 );//退出 
			}
			mutex = 0;//mutex = 0代表有进程正在进行
			cout << "--------------------------------------------" << endl;
			cout << "生产者进程P：产生产品P" << endl;
			full++;//产品数量存储+1 
			pfull++;//生产者进程P生产数量
			while( buffer[in] == 'P' )//避免重复位置替换产品P 
			{
				in = ( in + 1 ) % n;//循环队列计数 
			}
			buffer[ in ] = 'P';
			showbuffer( buffer );
			in = ( in + 1 ) % n;
			}
			else/// mutex = 0的情况 
			{
				cout << "进程P正在使用！" << endl;
				}
			choice();
			}
};

2.消费者类

//消费者类 
class Consumer{
	private:
		int m_mutex;
		int m_full;
		int m_pfull;
		int m_out;
		char m_c;
	public:
		Consumer( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c = '0' )
		{
			m_mutex = mu;
			m_full = fu;
			m_pfull = pfu;
			m_out = ou;
			m_c = c;
		}
		
	void showC( )
	{
	if( mutex == 1 )//mutex = 1代表没有进程进行
	{
		if( full == 0 )
		{
			cout << "没有进程可消费！" << endl;
			exit( 0 );
		}
		else{
		mutex = 0;
		if( pfull == 0 )
		{
			cout << " 消费者进程C没有可消费的！" << endl;
			exit( 0 );

		}
		else
		{
			cout << "--------------------------------------------" << endl;
			cout << "消费者进程C" << m_c << ":把产品P消费了->" << m_c << endl;
			full--;
			pfull--;
			buffer[ out ] = m_c;
			showbuffer( buffer );
			buffer[ out ] = '~';
			out = ( out + 1 ) % n;
		}
	  }
	}
	else 
	{
		cout << "进程C" << m_c << "正在使用！" << endl;
	}
	choice();
}
};

2.1 消费者子类1

//消费者类 1
class C1:public Consumer
{
	public:
		C1( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '1' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 )
		{} 
		
		void showC1()
		{
			Consumer::showC();
		}
};

2.2 消费者子类2

//消费者类 2
class C2:public Consumer
{
	public:
		C2( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '2' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 )
		{} 
		
		void showC2()
		{
			Consumer::showC();
		}
};

2.3 消费者子类3

//消费者类 3
class C3:public Consumer
{
	public:
		C3( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '3' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 )
		{} 
		
		void showC3()
		{
			Consumer::showC();
		}
};

3.主函数

int main()
{
	Producer p( mutex, full, pfull, in );
	Consumer c( mutex, full, pfull, out );
	C1 c1( mutex, full, pfull, out );
	C2 c2( mutex, full, pfull, out );
	C3 c3( mutex, full, pfull, out );
		while( choose != 0 )
		{
			switch( choose )
			{
				case 1:
					p.showP();
					break;
				case 2:
					c1.showC1();
					break;
				case 3:
					c2.showC2();
					break;
				case 4:
					c3.showC3();
					break;
			}
		}
}

五、源代码

#include <iostream>
using namespace std;

int mutex = 1;			//互斥信号量
			  			// mutex =1 代表进程空闲, mutex =0代表进程正在使用 
int full;				//缓冲区非空个数
const int n = 10;		//缓冲区大小为 10 
int empty = n;			//空缓冲区个数
char buffer[n];			//定义缓冲区
int pfull = 0;			//产品资源非空信号量
						//可用于多生产者时进行区分产品类不同对应的消费 
int in = 0, out = 0;	//定义存取指针的初始位置
						// in 指定生产产品当前的位置， out 指定消费产品当前的位置
int choose = 1;			//选择,首次产生产品P 

//选择 
void choice()
{
	cout << "按f或F继续,按q或Q退出程序：" << endl;
	cout << "--------------------------------------------" << endl;
	char ch;
	cin >> ch;
	if( ch == 'q' || ch == 'Q' )
	{
		mutex = 1;//把进程释放出来 
		exit( 0 );//退出
	}
	else if( ch == 'f' || ch == 'F' )
	{
		mutex = 1;//把进程释放出来
		cout << "输入选择继续：" << endl;
		cin >> choose;
	}
	else
	{
		cout << "输入非法！" << endl;
		choice(); //重新选择 
	}
}

//显示缓冲区情况函数
void showbuffer( char a[10] )
{
	cout << "缓冲区存储情况为( ~ 为已消费资源):" ;
	for( int i = 0; i < 10; i ++ )
	{
		cout << a[i] << " ";//输出缓冲区情况 
	}
	cout << endl;
}

///--------------------------------生产者--------------------------------------------------
//生产者类 
class Producer
{
	private:
		int m_mutex;
		int m_full;
		int m_pfull;
		int m_in;
		
	public:
		Producer( int mu, int fu, int pfu, int pin )
		{
			m_mutex = mu;
			m_full = fu;
			m_pfull = pfu;
			m_in = in;
		}
		void showP()
		{
			if( mutex == 1 )//mutex = 1代表没有进程进行
			{
			if( full == n )//进程满了 
			{
				cout << "缓冲区空间已满！" << endl;
				exit( 0 );//退出 
			}
			mutex = 0;//mutex = 0代表有进程正在进行
			cout << "--------------------------------------------" << endl;
			cout << "生产者进程P：产生产品P" << endl;
			full++;//产品数量存储+1 
			pfull++;//生产者进程P生产数量
			while( buffer[in] == 'P' )//避免重复位置替换产品P 
			{
				in = ( in + 1 ) % n;//循环队列计数 
			}
			buffer[ in ] = 'P';
			showbuffer( buffer );
			in = ( in + 1 ) % n;
			}
			else/// mutex = 0的情况 
			{
				cout << "进程P正在使用！" << endl;
				}
			choice();
			}
};

///--------------------------------------消费者-------------------------------------------
//消费者类 
class Consumer{
	private:
		int m_mutex;
		int m_full;
		int m_pfull;
		int m_out;
		char m_c;
	public:
		Consumer( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c = '0' )
		{
			m_mutex = mu;
			m_full = fu;
			m_pfull = pfu;
			m_out = ou;
			m_c = c;
		}
		
	void showC( )
	{
	if( mutex == 1 )//mutex = 1代表没有进程进行
	{
		if( full == 0 )
		{
			cout << "没有进程可消费！" << endl;
			exit( 0 );
		}
		else{
		mutex = 0;
		if( pfull == 0 )
		{
			cout << " 消费者进程C没有可消费的！" << endl;
			exit( 0 );

		}
		else
		{
			cout << "--------------------------------------------" << endl;
			cout << "消费者进程C" << m_c << ":把产品P消费了->" << m_c << endl;
			full--;
			pfull--;
			buffer[ out ] = m_c;
			showbuffer( buffer );
			buffer[ out ] = '~';
			out = ( out + 1 ) % n;
		}
	  }
	}
	else 
	{
		cout << "进程C" << m_c << "正在使用！" << endl;
	}
	choice();
}
};

//消费者类 1
class C1:public Consumer
{
	public:
		C1( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '1' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 )
		{} 
		
		void showC1()
		{
			Consumer::showC();
		}
};

//消费者类 2
class C2:public Consumer
{
	public:
		C2( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '2' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 )
		{} 
		
		void showC2()
		{
			Consumer::showC();
		}
};

//消费者类 3
class C3:public Consumer
{
	public:
		C3( int mu, int fu, int pfu, int ou, char c1 = '3' ):Consumer( mu, fu, pfu, ou, c1 )
		{} 
		
		void showC3()
		{
			Consumer::showC();
		}
};

int main()
{
	Producer p( mutex, full, pfull, in );
	Consumer c( mutex, full, pfull, out );
	C1 c1( mutex, full, pfull, out );
	C2 c2( mutex, full, pfull, out );
	C3 c3( mutex, full, pfull, out );
		while( choose != 0 )
		{
			switch( choose )
			{
				case 1:
					p.showP();
					break;
				case 2:
					c1.showC1();
					break;
				case 3:
					c2.showC2();
					break;
				case 4:
					c3.showC3();
					break;
			}
		}
}

六、运行结果

这里以缓冲区大小为 5 来测试

不同的消费者进程消费产品后转换成的结果不同

正常生产和消费，当生产者依次顺序占用缓冲区时，消费者也是依次顺序消费，当前队列到尽头时，采用循环继续，生产者在空缓冲区继续执行生产命令。

当缓冲区已满时，进程提示空间已满，程序正常状态退出！ 

当缓冲区没有产品时，消费者无法进行消费，此时进程提示没有进程可消费，程序正常状态退出！

更多测试结果请阅读者亲测~

七.结论

以上便是本次生产者与消费者问题的基本算法，生产者和消费者可以一对一、一对多或是多对多，只要分析清楚它们之间的同步互斥变量，共用的缓冲区资源的使用情况，解决好同步互斥问题，可以有效避免出现死锁的情况。通过生产者与消费者的问题算法，加深对信号量机制的理解和了解信号量的使用。

代码为原创，如有类似可联系了解情况，若有大神提出修改精进，欢迎评论区讨论！

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