操作系统 生产者消费者

### 生产者消费者模型概述

生产者消费者模型旨在解决多线程程序中的数据生产和消费过程中的同步问题。该模型通过平衡生产能力与消费能力来提高系统效率，同时减少两者间的依赖程度[^1]。

#### 数据结构设计

为了有效管理待处理的数据项，在具体实现上通常采用共享缓冲区的形式作为中间媒介连接生产方和消费方。最常见的是利用固定大小的循环队列（也称为环形队列），它由一个数组构成并配合头尾指针操作以支持高效的入队出队动作[^2]。

#### 同步机制

针对并发访问可能引发的竞争条件，引入了锁定协议确保同一时刻只有一个线程能够修改资源状态；而对于不同角色间的工作协调，则借助于信号量这一抽象工具完成。当缓冲区内存在可用空间时增加`empty`计数值允许更多商品被加入；相反地每当有新物品可供取用则相应增长`full`的数量通知等待中的接收端进行提取作业[^4]。

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

#define BUFFER_SIZE 10
int buffer[BUFFER_SIZE];
int counter = 0;

// 定义两个信号量用于控制
sem_t empty;
sem_t full;
pthread_mutex_t mutex;

void *producer(void *arg){
    while (true) {
        int item = produce_item(); // 假设此函数返回生产的项目
        
        sem_wait(&empty);          // 请求获取一个空位
        pthread_mutex_lock(&mutex);// 加锁保护临界区
        
        insert_item(buffer, &counter, item);
        
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解除锁定
        sem_post(&full);             // 发布满位信息给消费者
    }
}

void *consumer(void *arg){
    while (true) {
        int item;
        
        sem_wait(&full);            // 等待直到有可读取的内容
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 锁定防止其他线程干扰
        
        item = remove_item(buffer, &counter);
        
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 开放区域供他人使用
        sem_post(&empty);             // 提醒生产者还有剩余容量
        
        consume_item(item);           // 处理所取得的商品
    }
}

上述C语言代码片段展示了如何创建一对协作工作的生产者和消费者线程。这里运用到了POSIX标准下的线程库(`pthread`)以及信号灯设施(`semaphore`)来进行必要的同步控制。