信号量生成者消费者线程

### 使用信号量解决生产者消费者问题

在多线程环境中，生产者消费者问题是典型的同步问题之一。为了确保多个生产者和消费者能够安全有效地访问共享缓冲区，可以采用信号量机制来管理线程间的同步。

#### 1. 定义三个信号量

- `empty` 表示可用的空槽位数量，初始值设为缓冲区大小；
- `full` 表示已填充的数据槽数目，初始化为0；
- `mutex` 是一个二元信号量，用于保护临界区，防止并发修改共享资源，初值设置为1。

sem_t empty;
sem_t full;
sem_t mutex;

#define BUFFER_SIZE 10
int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0; // 记录当前buffer中item的数量

#### 2. 初始化信号量

创建并初始化上述定义好的信号量对象，在程序启动之初完成此工作：

// 假定已经包含了必要的头文件
if (sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE) != 0 ||
    sem_init(&full, 0, 0) != 0 || 
    sem_init(&mutex, 0, 1) != 0){
        perror("Semaphore initialization failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
}

#### 3. 生产者的操作流程

当生产者准备向缓冲区内放入新项目时，需先等待有足够空间(`empty`)再进入临界区(`mutex`)执行写入动作，最后增加满槽计数(`full`)通知可能存在的等待读取方。

void *producer(void* arg){
    while(true){
        int item = produce_item(); // 获取要生产的物品
        
        sem_wait(&empty);          // 减少一个空闲位置
        sem_wait(&mutex);         // 进入临界区之前加锁
        
        insert_item(buffer,&count,item); // 插入到队列里
        
        sem_post(&mutex);         // 离开临界区之后解锁
        sem_post(&full);           // 新增了一个可被消费的对象
    }
}

#### 4. 消费者的操作流程

相反地，消费者则是在确认存在待处理项(`full`)的前提下获取权限(`mutex`)取出数据，并释放对应的存储单元给后续到来的商品(`empty`)。

void *consumer(void* arg){
    while(true){
        sem_wait(&full);            // 需要有东西才能拿走
        sem_wait(&mutex);          // 加锁
    
        int item = remove_item(buffer,&count); // 取出一项商品
        
        sem_post(&mutex);          // 解锁
        sem_post(&empty);           // 归还占用的空间
        
        consume_item(item);       // 处理拿到手的东西
    }
}

通过这种方式，利用信号量不仅可以有效控制对公共资源的竞争访问，还能协调不同角色之间的工作节奏，使得整个系统的运行更加稳定高效[^1]。