编程实现经典的进程同步问题—生产者消费者问题的模拟 操作系统 c++

生产者消费者问题是操作系统中常见的并发控制问题，它描述了两个线程角色：一个生产者负责生成数据放入缓冲区，另一个消费者负责从缓冲区取出并处理数据。这个过程需要解决同步问题，防止生产者添加数据到空缓冲区，或消费者从满缓冲区取数据。

在C++中，我们可以使用互斥量（mutex）、条件变量（condition_variable）以及队列（queue）等标准库结构来模拟这个问题。以下是基本的步骤：

1. 定义一个共享资源（如`std::queue<int>`），作为缓冲区。
2. 创建生产者线程，使用互斥量保护缓冲区的读写操作。在生产数据之前，检查缓冲区是否已满；满了就等待直到有消费者取走数据。
3. 创建消费者线程，同样用互斥量锁定，检查缓冲区是否为空；如果为空，则等待直到有数据可用。
4. 使用条件变量在生产者和消费者之间传递信号，当一个线程完成了其工作（数据生产或消费），会唤醒等待的另一方。

下面是一个简单的C++示例代码片段：

#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::queue<int> buffer;
std::mutex mtx; // 互斥锁
std::condition_variable cv_prod, cv_cons;

void producer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
        cv_prod.wait(lck, [] { return !buffer.empty(); }); // 等待消费者取走数据
        buffer.push(i); // 生产数据
        cv_cons.notify_one(); // 唤醒消费者
        std::cout << "Producer produced: " << i << '\n';
    }
}

void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
        cv_cons.wait(lck, [] { return !buffer.empty(); }); // 等待数据到来
        int data = buffer.front();
        buffer.pop();
        std::cout << "Consumer consumed: " << data << '\n';
        lck.unlock();
        cv_prod.notify_one(); // 告诉生产者可以继续
    }
}

int main() {
    std::thread prod(producer), cons(consumer);
    prod.join();
    cons.join();
    return 0;
}