操作系统生产者与消费者代码实现C语言

在操作系统中，生产者-消费者问题是一个经典的同步问题，用来描述在共享资源的生产与消费过程中，如何进行有效的线程协作。生产者负责生成数据放到缓冲区，消费者从缓冲区取出数据消费。为了防止生产者在缓冲区满时继续生产，以及防止消费者在缓冲区空时尝试消费，需要通过同步机制来解决这种资源访问的冲突。

以下是使用C语言实现生产者-消费者问题的一个基本示例，使用了互斥锁（mutex）和条件变量（condition variable）来控制对共享缓冲区的访问。

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

#define BUFFER_SIZE 10 // 缓冲区大小

// 定义缓冲区和相关操作的结构体
typedef struct {
    int buffer[BUFFER_SIZE];
    int count; // 缓冲区中数据的数量
    int in; // 下一个放入数据的位置
    int out; // 下一个取出数据的位置

    pthread_mutex_t mutex; // 互斥锁
    pthread_cond_t can_produce; // 可以生产的条件变量
    pthread_cond_t can_consume; // 可以消费的条件变量
} buffer_t;

buffer_t buffer = {0, 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER};

// 生产者函数
void* producer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&buffer.mutex);
        // 等待消费者消费掉一些数据
        while (buffer.count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&buffer.can_produce, &buffer.mutex);
        }

        // 生产数据
        int value = rand() % 100;
        buffer.buffer[buffer.in] = value;
        buffer.in = (buffer.in + 1) % BUFFER_SIZE;
        buffer.count++;

        printf("Produced: %d\n", value);
        pthread_cond_signal(&buffer.can_consume); // 通知消费者有数据可消费
        pthread_mutex_unlock(&buffer.mutex);

        sleep(1);
    }
}

// 消费者函数
void* consumer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&buffer.mutex);
        // 等待生产者生产一些数据
        while (buffer.count == 0) {
            pthread_cond_wait(&buffer.can_consume, &buffer.mutex);
        }

        // 消费数据
        int value = buffer.buffer[buffer.out];
        buffer.out = (buffer.out + 1) % BUFFER_SIZE;
        buffer.count--;

        printf("Consumed: %d\n", value);
        pthread_cond_signal(&buffer.can_produce); // 通知生产者有空间可以生产
        pthread_mutex_unlock(&buffer.mutex);

        sleep(1);
    }
}

int main() {
    pthread_t prod, cons;

    // 创建生产者和消费者线程
    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(prod, NULL); // 等待线程结束（在实际应用中不应该这样做，这里仅为了示例）
    pthread_join(cons, NULL); // 等待线程结束（在实际应用中不应该这样做，这里仅为了示例）

    return 0;
}

在这个示例中，生产者和消费者通过互斥锁`mutex`来确保缓冲区访问的互斥，通过条件变量`can_produce`和`can_consume`来等待和通知对方的状态变化。生产者在缓冲区满时等待，消费者在缓冲区空时等待。当生产者生产了数据后，会通知消费者可以消费；反之，当消费者消费了数据后，也会通知生产者可以继续生产。