生产者消费者问题是多线程编程中的一个经典模型，用于演示如何在并发环境中通过共享资源进行协作。在这个模型中，生产者线程负责生成数据，而消费者线程则负责消费这些数据。问题的关键在于如何保证生产者不会在无处存放新数据时继续生产，同时消费者也不会在无数据可消费时持续等待。
在C++中，我们可以利用标准库中的`std::condition_variable`、`std::mutex`和`std::queue`等工具来实现这一模型。`std::condition_variable`用于线程间的同步，`std::mutex`确保对共享资源的互斥访问，而`std::queue`作为共享的缓冲区存储数据。
我们需要定义一个结构体或类来存储生产者和消费者共享的数据，比如`Data`。接着，创建一个全局的`std::queue<Data>`实例作为缓冲区，并初始化一个`std::mutex`和一个`std::condition_variable`。
```cpp
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
struct Data {
// 数据的具体内容
};
std::queue<Data> buffer;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool empty = true; // 标记缓冲区是否为空
```
生产者线程的工作流程如下：
1. 创建数据。
2. 加锁`mtx`，检查缓冲区是否已满。
3. 如果缓冲区已满，线程将被阻塞，调用`cv.wait()`等待唤醒。
4. 如果缓冲区未满，将数据放入缓冲区。
5. 更新`empty`标志，释放锁并调用`cv.notify_one()`通知消费者线程。
消费者线程的工作流程类似，但相反：
1. 检查缓冲区是否为空。
2. 如果缓冲区为空，线程将被阻塞，调用`cv.wait()`等待唤醒。
3. 如果缓冲区非空，从缓冲区取出数据。
4. 更新`empty`标志，释放锁并调用`cv.notify_one()`通知生产者线程。
`thread.cpp`文件中，我们将创建生产者和消费者线程，每个线程执行上述流程。需要注意的是，为了模拟多个生产者和消费者，可以使用循环来重复生产和消费过程，或者在达到特定条件后退出。
以下是简化版的生产者和消费者线程实现：
```cpp
void producer(int id) {
while (true) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [] { return !empty; }); // 等待缓冲区非空
// 创建数据并放入缓冲区
Data data;
// ... 创建数据的逻辑 ...
buffer.push(data);
empty = false;
lock.unlock();
cv.notify_one(); // 唤醒消费者
}
}
void consumer(int id) {
while (true) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [] { return !empty; }); // 等待缓冲区非空
// 从缓冲区取出数据并消费
Data data = buffer.front();
// ... 消费数据的逻辑 ...
buffer.pop();
empty = buffer.empty();
lock.unlock();
cv.notify_one(); // 唤醒生产者
}
}
```
在主函数中，根据需要创建指定数量的生产者和消费者线程，并启动它们。当所有线程执行完毕后，程序结束。
这个模型展示了线程间的协作与同步，是多线程编程中处理并发问题的一个重要范例。在实际应用中，生产者消费者问题可以广泛应用于I/O操作、数据库访问、网络通信等多个场景。理解并熟练掌握这一模型有助于编写高效、可靠的并发程序。
thread.rar （1个子文件） 