linux线程cp模型，posix信号量，线程池，线程封装，单例模型，懒汉饿汉实现方式，自旋锁，读者写者模型

1.生产者消费者模型

前面的同步，我们并没有一个很好的场景来模拟同步，只是简单的将有序的现象输出出来；现在我们来讲解一个比较合理且常见的模型——生产者消费者模型；

1.1模型理解

什么是生产者消费者模型：

这个模型是多线程实现同步与互斥的场景：

这个场景中有三对关系：

消费者与消费者（互斥关系）

消费者与生产者 （同步与互斥关系）

生产者与生产者 （互斥关系）

两种对象：

生产者与消费者

一个共享资源：

生产者与消费者们都能看到的内存空间

1.2代码实现

接下来就让我们看看我们在实际编程中，这样的单生产单消费模型是什么样的：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include <queue>
using namespace std;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t c_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//其实现在这种场景放在一个队列与两个队列中没有什么区别
pthread_cond_t p_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//我认为应该是在之后生产者之间或者是消费者之间
                                                 //他们两大类自己内部的互斥需要cond控制顺序，所以这里有两个条件变量

template <class T>
class dataQueue
{
public:
    void push(const T &data)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (_q.size() >= _size)
        {
            pthread_cond_signal(&c_cond);//唤醒消费者
            pthread_cond_wait(&p_cond, &mutex);
        }
        _q.push(data);
        cout << "comsumer push " << data << " to queue" << endl;
        // if(_q.size()>=push_max)//我认为这里的代码是没有必要的，下面同样的地方有解释
        // {
        //     pthread_cond_signal(&c_cond);//唤醒消费者
        // }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    void pop()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (_q.size() == 0)
        {
            pthread_cond_signal(&p_cond);//唤醒生产者
            pthread_cond_wait(&c_cond, &mutex);
        }
        T top = _q.front();
        _q.pop();
        cout << "productor pop " << top << " from queue" << endl;
        // if(_q.size()<=pop_min)//这是蛋哥的代码，我认为这里的控制似乎是没有任何用的，当队列中数据小于了最小pop数时唤醒生产者
        // {                     //而生产者只会在锁被释放时才会被唤醒，而我们自己这个循环会马上去获取锁,而队列中的数据此时是为
                                 //pop_min的，除非我们将等待条件设置为pop_min否则消费者不会停止动作，而如果把等待条件设置为pop_min
                                 //那我们就根本没有必要用两个循环来控制，之间将唤醒与等待放入同一个循环即可，所以我认为这里的代码是没有必要的

        //     pthread_cond_signal(&p_cond);//唤醒生产者
        // }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

private:
    queue<T> _q;
    int _size =5;//这是我们控制的一个队列中最多可以容纳的数据量

    //我们可以通过这些变量来控制pop与push的动作
    // int push_max=8;//当队列中数据压入最多个数
    // int pop_min=3;//队列中数据存在最少个数
};

dataQueue<int> q;

struct threadData
{
    string _threadName;
    threadData(string name)
        : _threadName(name)
    {
    }
    threadData() = default;
};

void *productor(void *args)
{
    threadData *data = static_cast<threadData *>(args);
    int i = 0;
    while (true)
    {
        sleep(1);
        q.push(i++);
    }
}

void *consumer(void *args)
{
    threadData *data = static_cast<threadData *>(args);
    while (true)
    {
        q.pop();
    }
}

int main()
{
    pthread_t ctid, ptid;
    threadData *data1 = new threadData("comsumer");
    threadData *data2 = new threadData("productor");
    pthread_create(&ctid, nullptr, consumer, data1);
    pthread_create(&ptid, nullptr, productor, data2);

    void *retData;
    pthread_join(ctid, &retData);
    pthread_join(ptid, &retData);

    return 0;
}

现象：

这就是初步的生产消费模型； 

所以实现这样的控制需要互斥与同步一起进行，操作有：

1.加锁（保证临界资源的使用）

2.判断（看是否可以进行生产或者消费）->这也解释了上面同步中为什么wait要在加锁之后，因为判断是否具备生产消费的条件需要通过临界资源进行判断，需要在锁内访问；

3.等待（如果不满足生产消费的条件，会进行等待）

4.解锁（释放锁，为唤醒和等待队列中的线程提供条件）

上面就是基本的单生产单消费模型的概念与实现，牢记321口诀即可；

接下来我还实现了生产消费模型的进阶版：
thread2024.5.14/cp&&cond/cp_pro.cpp · future/Linux - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

这份文件的代码中，我增加了生产与消费的过程，并将生产者与消费者的数量增加，形成了一个完整的生产消费模型；（代码太长）可以点击上面gitee链接查看我的代码；

2.posix信号量

前面的cp模型是使用cond条件变量与mutex互斥锁来写的单生产单消费，而信号量可以更优雅的创建cp模型；

2.1信号量是什么

信号量的本质是一把计数器，而这把计数器的本质又是临界资源，所以对于信号量的操作，我们的库底层自己进行了封装操作，让信号量的++，--操作是原子的；

我们前面在进程通信部分，我们就讲过了systemV版本的信号量，我们知道信号量就像是门票，我们只有持有了信号量才能访问临界资源；详细的讲解可以看这篇博客中的信号量部分：

进程间通信，管道，匿名管道，共享内存，信号量-CSDN博客

2.2信号量的函数

信号量的初始化函数：

第一个参数是一个sem_t类型的信号量的地址，第二个参数为0时信号量只在当前线程中可见，信号量为非0时在当前进程中都可见，第三个参数是信号量这个计数器的初始值；

信号量的加减操作：

wait操作是减减操作我们又可以称之为P操作，当遇到此函数时，信号量会进行减减操作，让信号量计数器减1；

post函数是加加操作，又可以叫做V操作 ，当遇到此函数时，信号量会进行加加操作，让信号量计数器加1；

上面两个函数参数只需传递信号量的地址即可；

信号量的摧毁函数：

由此可见信号量应该是在堆区上开辟的空间所以，需要一个摧毁函数来释放这份空间，来防止内存泄漏的问题；

2.3信号量创建cp模型

那么信号量究竟是如何做到帮助形成cp模型的呢？我们下面用一个循环队列的例子来表明信号量的作用；

现在看来这样的cp模型似乎和上面使用同步互斥锁的cp模型没有什么不同，只是它们的共享空间不同而已；但是不用着急下面就会说到信号量的作用了；

通过上面，我们就可以明白信号量所起到的作用；当然，现在你可能还有一个疑问，为什么这个cp模型要使用循环队列呢？为什么不和前面的cp模型一样直接使用队列呢？

为什么要使用循环队列作为容器 ？

其实这并不冲突，我们也可以使用普通的队列或者其他数据结构来充当共享空间，但是我们在编代码时，我们就会发现，无论我们用那种数据结构，我们插入数据时，生产者指针的位置会向后移动，并生产一份数据在队列上，消费数据时，消费者的指针也会向后移动，并消费一个数据，让队列中拥有一个空闲位置资源，而数组的大小不是无穷大的，所以我们一定要有某种策略使得，生产者可以移动到消费者消费出来的空闲位置生产数据，消费者可以移动到生产者生产出的数据上消费数据，而循环队列是一个刚好可以满足这种情况的数据结构，所以才使用循环队列来作为容器；

通过上面的图片，我们也可以明白为什么这个cp模型的容器是循环队列，只是根据不同的应用场景来选择罢了；

2.4信号量代码的实现 

我们上面讲解了信号量的理论，接下来我们用实际的编码来理解信号量的作用；

thread2024.5.14/4_sem · future/Linux - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

由于代码太长，我们需要通过上面链接去gitee观看；

现象：

信号量实现cp模型的代码，我认为文字的讲解太过于复杂，如果你们想分析我的代码，可以使用gpt来分析，我下面就只说一下我自己认为的重要的地方：

互斥锁与信号量操作先后：

因为信号量操作本身是原子的，所以不需要被保护，而信号量的数量是大于锁数量的，当多个线程同时访问临界资源时，这多个线程获取信号量的难度一定是小于锁的， 如果先获取锁，在这时这多个线程一定是串行获取后面的信号量的；而如果先获取信号量，信号量的获取难度小，多个线程可以获取信号量的时间会小一些，可以并行获取信号量之后，再串行获取锁；由此可见先获取信号量在获取锁的方式更优；

3.线程池

3.1池化技术

池化技术，是一种用空间换时间的技术，可以直接申请一大批空间，需要使用时直接使用即可，不需要向系统申请，减少了与系统的交互，提高了效率；

3.2线程池的实现

我们之前的代码中写过进程池，现在我们再来写一份关于线程池的代码，其实线程池和前面的cp模型也没有什么大的区别，线程池顾名思义，就是有很多的线程提供，在任务很多的时候，多个线程共同分担任务；那么我们可以把线程池中的线程看作消费者用来任务，主线程生产任务给这些线程；那这就一个单生产多消费的cp模型；

封装一个线程池的类：

#define THREADNUM 5

template <class T>
class threadPool
{
public:
private:
    static void *routine(void *args)
    {
        threadPool<T> *pool = static_cast<threadPool<T> *>(args);
        T task;
        while (1)
        {
            pool->pop();
        }
    }

public:
    threadPool(int num = THREADNUM)
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond, nullptr);
        _info.resize(THREADNUM);
    }

    void start()
    {
        for (int i = 0; i < THREADNUM; i++)
        {
            pthread_create(&(_info[i]._tid), nullptr, routine, (void *)this);
            _info[i]._threadName = "thread" + to_string(i);
        }
    }

    void finish()
    {
        void *ret;
        for (auto tinfo : _info)
        {
            pthread_join(tinfo._tid, &ret);
        }
    }

    void push(const T &task) // 这里生产任务只需要一直生产即可，不需要访问控制
    {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);
        _task.push(task);
        pthread_cond_signal(&_cond);
        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
    }

    void pop()
    {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);
        while (_task.empty())
        {
            pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);
        }
        T top = _task.front();
        _task.pop();
        top();
        top.getAnswer(getThreadName(pthread_self()));
        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
    }

    string getThreadName(pthread_t tid)
    {
        for (auto info : _info)
        {
            if (info._tid == tid)
                return info._threadName;
        }
        return "no thred";
    }

    int tasknum()
    {
        return _task.size();
    }

private:
    struct threadInfo
    {
        string _threadName;
        pthread_t _tid;
    };

    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_cond_t _cond;
    queue<T> _task;
    vector<threadInfo> _info;
};

这个线程池的类可以直接帮助我们生成线程池；

下面是这个模型的代码链接：

thread2024.5.14/5_threadPool · future/Linux - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

现象：

 还是老样子，想分析代码进入我的链接去询问gpt即可，我这里讲解我认为的重点：

类中的routine函数需注意的地方

1.由于routine函数是在threadPool类中的，类中的函数，第一个参数为隐藏的this指针，所以会导致与pthread_create的参数不匹配，所以需要将此函数声明为static类型，不让this指针影响函数；

2.由于routine函数没有了this指针，所以要将this指针作为参数传递给routine函数

4.线程封装

在C++中有一个thread类，这个封装了线程的各种参数，只需要调用其接口，thread类就可以自动帮我们实现创建线程等功能；我们现在也试着封装一下linux下的posix接口，让我们创建的thread类可以自动帮我们创建，销毁...线程；

typedef void* (*callback)(void *);

class thread
{
public:
    thread()
        : _threadname(""), _isrunning(false)
    {
    }

    thread(callback threadfun, void *args)
        : _threadfun(threadfun), _args(args), _isrunning(false)
    {
        pthread_create(&_tid, nullptr, _threadfun, _args);
        _isrunning = true;
    }

    void join()
    {
        void *ret;
        pthread_join(_tid, &ret);
    }

    bool isrunning()
    {
        return _isrunning;
    }

    pthread_t gettid()
    {
        return _tid;
    }

private:
    
    void *_args;
    string _threadname;
    bool _isrunning;
    pthread_t _tid;
    callback _threadfun;
};

我们使用下面的代码测试：

void *routine(void*args)
{
    cout<<"i am a thread"<<endl;
}

int main()
{
    void *args;
    thread t(routine,&args);
    sleep(1);
    cout<<"thread tid: "<<t.gettid()<<endl;
    cout<<"thread is fun? "<<t.isrunning()<<endl;
    t.join();
    return 0;
}

获得现象：

成功的封装了线程，并可以调用其中的接口； 

5.单例模式

单例模式是一个设计模式，目的是为了节约空间，提高效率，就比如我们上面的线程池代码，我们只需要一个线程池，发布任务都只需要发布到这一个线程池中即可；所以线程池类只需要示例化出这一个线程池对象，这就是单例模式；一个类只允许实例化出一个对象；

5.1.懒汉饿汉方式

懒汉方式：

不要紧的事情先不做，等到需要做的时候再做；

饿汉方式：

所有事情都提前做好，等到需要的时候可以直接使用；

在我们的程序启动之时，大量的空间申请开辟会减慢进程的启动速度，我们可以使用懒汉的方式让空间先不申请，等需要此空间时再申请，这就是懒汉方式的应用场景

而在程序启动时，我们的全局变量，与类中的静态变量都会直接创建出来，我们即使不实例化我们的类对象，类中的静态变量依然会直接创建出来，即使不直接使用也会被创建，这就饿汉模式；

5.2用懒汉与饿汉方式实现单例：

//饿汉方式实现单例
class hangry
{
private:
    static int _data;

public:
    static int *getData()
    {
        return &_data;
    }
};

//懒汉方式实现单例
class lazy
{
private:
    int _data;
    static lazy* _plazy;  
public:
    static lazy* getData()
    {
        if(_plazy==nullptr)
        {
            _plazy= new lazy();
        }
        return _plazy;
    }
} ;
lazy* lazy::_plazy=nullptr;

5.3用懒汉单例模式与线程封装实现的线程池代码： 

thread2024.5.14/7_threadpoolSingalCase · future/Linux - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

需要注意的地方：

单例模式多线程访问，需要进行保护

用锁锁住单例创建，保证线程安全；

6.自旋锁

这个锁的使用与否和正在临界区使用临界资源的线程有关；当多个线程竞争一把锁，一个线程抢到了锁，这个抢到了锁的线程，占有锁的时间长短（临界区代码的长短）；会决定这把锁是否会是自旋锁；当占有锁线程临界区代码长度很短（临界区使用时间短）时，其他的线程会一直等待，不会去做其他事情，在while循环中不断申请锁，直到拥有锁线程释放锁；

6.1自旋锁函数

初始化锁函数

 申请锁函数

释放锁函数 

我们可以把这个释放锁的函数看作这样的函数：

 

协助记忆：张三找李四上课的例子

7.读者写者模型

这个模型其实和前面的cp模型是相似的，但是不同的地方在于，cp模型的生产者和消费者都需要，对临界资源进行修改，而读者写者模型中只有写者会修改临界资源，所以我们只需要解决写者和读者之间的互斥同步问题；

由于读者的数量一定是远大于写者的，所以必定会面临着写者存在饥饿的问题，所以为了解决这样的问题，库中是提供了设置读者和写者优先情况的

设置读者或写者优先

pthread_rwlockattr_setkind_np 是一个非标准扩展函数，因此在标准的 man 手册中可能找不到它；

这个函数可以设置读者写者谁优先，减少写者的饥饿问题；

初始化和销毁函数

加锁

 

 读写锁是有读锁和写锁之分的；但是解锁都是相同的接口：

解锁

读者写者模型的原理：

写者在写时读者不能访问临界资源，读者在读时写者不能访问临界资源，但读者之间可以并发访问资源，写者和写者之间只能互斥访问；

原文地址：https://blog.csdn.net/m0_75260318/article/details/139477882

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