用C语言编写生产者消费者程序并解析

在C语言中，我们可以使用互斥锁（mutex）、条件变量（condition variable）等同步原语来编写生产者消费者（Producer-Consumer）程序。这是一种经典的问题，通常用于演示并发控制和线程同步机制。

下面是一个简单的示例，展示了一个共享缓冲区，生产者负责填充缓冲区，消费者负责消费：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#define BUFFER_SIZE 5
#define MAX_ITEMS 10

typedef struct {
    int buffer[BUFFER_SIZE];
    int count;
    int capacity;
    pthread_mutex_t mutex; // 互斥锁
    pthread_cond_t empty; // 条件变量，当缓冲区空时唤醒消费者
    pthread_cond_t full; // 条件变量，当缓冲区满时唤醒生产者
} producer_consumer;

producer_consumer pc = { .buffer = {}, .count = 0, .capacity = BUFFER_SIZE };

void* producer(void* arg) {
    while (pc.count < MAX_ITEMS) {
        pthread_mutex_lock(&pc.mutex);
        if (pc.count == pc.capacity) {
            printf("Producer waiting for space...\n");
            pthread_cond_wait(&pc.full, &pc.mutex); // 阻塞直到缓冲区不满
        }
        pc.buffer[pc.count] = pc.count++;
        printf("Produced item %d\n", pc.count);
        pthread_mutex_unlock(&pc.mutex);

        // 模拟生产过程的延迟，这里是实际应用中的异步操作
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    while (pc.count > 0) {
        pthread_mutex_lock(&pc.mutex);
        if (pc.count == 0) {
            printf("Consumer waiting for items...\n");
            pthread_cond_wait(&pc.empty, &pc.mutex); // 阻塞直到缓冲区非空
        }
        pc.count--;
        printf("Consumed item %d\n", pc.count);
        pthread_mutex_unlock(&pc.mutex);

        // 模拟消费过程的延迟
        sleep(1);
    }
    printf("All items consumed.\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    return 0;
}

在这个例子中，生产者和消费者分别在一个单独的线程中运行，通过互斥锁和条件变量协调它们的行为。生产者检查缓冲区是否已满，如果满了则等待；消费者检查是否有物品可供消费，如果没有则等待。这展示了如何处理资源的竞争和同步。