无法在 C++ 中使用列表创建生产者-消费者实例

Question

伙计们。我正在学习生产者-消费者问题。我的教授给了我们一个示例代码，使用经典的int array 在两个线程之间共享资源。它按预期工作，但是，我想使用 C++ 中的std:list 类尝试它，但它没有按预期工作。消费者似乎不尊重sem_wait(&full);，所以当共享列表中没有任何内容时，它会尝试多次消费。

带有数组缓冲区的原始代码

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

#define    N 2
#define    TRUE 1

int    buffer[N], in = 0, out = 0;
sem_t  empty, full, mutexC, mutexP;

void *producer(void *arg) {

   while(TRUE) {
       sleep(rand()%5);

       sem_wait(&empty);
       sem_wait(&mutexP);
    
       buffer[in] = rand() % 100;
       printf("Producing buffer[%d] = %d\n", in, buffer[in]);
       in= (in+1) % N;

       sem_post(&mutexP);
       sem_post(&full);
       
   }
}

void *consumer(void *arg) {

   while(TRUE) {
       
       sleep(rand()%5);
       sem_wait(&full);
       sem_wait(&mutexC);
       
       printf("Consuming buffer[%d] = %d\n", out, buffer[out]);
       out = (out+1) % N;
       
       sem_post(&mutexC);
       sem_post(&empty);
       
   }
}

int main(int argc, char *argv[ ]) {
    pthread_t cons, prod;

    sem_init(&mutexC, 0, 1);
    sem_init(&mutexP, 0, 1);
    sem_init(&empty, 0, N);
    sem_init(&full, 0, 0);
    
    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);
    
    pthread_exit(0);
}

我的列表实现：

#include    <pthread.h>
#include    <semaphore.h>
#include    <stdlib.h>
#include    <unistd.h>
#include    <iostream>
#include    <list>

#define    TRUE 1
#define    N 2

using namespace std;

list<int> sharedList;

sem_t  empty, full, mutexC, mutexP;

void *producer(void *arg) {

   while(TRUE) {
       
       sleep(rand()%5);

       sem_wait(&empty);
       sem_wait(&mutexP);
       int prod = rand() % 100;
       cout << "producing: " << prod << endl;
       sharedList.push_back(prod);

       sem_post(&mutexP);
       sem_post(&full);
       
   }
}

void *consumer(void *arg) {

   while(TRUE) {
      
       sleep(rand()%5);

       sem_wait(&full);
       sem_wait(&mutexC);
       
       if (!sharedList.empty()) {
           cout << "consuming: ";
           cout << sharedList.front() << endl;
           sharedList.pop_front();
       } else {
           cout << "not possible to consume" << endl;
       }
       sem_post(&mutexC);
       sem_post(&empty);
   }
}

int main(int argc, char *argv[ ]) {
    pthread_t cons, prod;

    sem_init(&mutexC, 0, 1);
    sem_init(&mutexP, 0, 1);
    sem_init(&empty, 0, N);
    sem_init(&full, 0, 0);
    
    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);
    
    pthread_exit(0);
}

来自我的实现的意外日志：

producing: 73
consuming: 73
not possible to consume
producing: 44
consuming: 44
producing: 9
producing: 65
consuming: 9
producing: 87
consuming: 65
consuming: producing: 29
87
not possible to consume
consuming: 29
producing: 9
producing: 60
consuming: 9
producing: 78

有人可以向我解释发生了什么吗？ 提前致谢！

Answer 1

首先，请注意在这两个程序中：

• 只有一个生产者在竞争信号量 mutexP，该信号量没有任何用处。
• 同样，只有一个消费者曾经争夺信号量 mutexC，这也没有任何用处。

现在，考虑一下通过使用值 2 而不是值 1 初始化信号量 empty 在您的第一个程序中的用途：我认为您会同意这样做允许生产者与消费者同时运行，领先一个位置.这没关系，因为对不同数组元素的访问不会冲突。

但是，当您的存储是 std::list 而不是数组时，如果其中一个线程修改了它，则两个线程同时操作它是不好的。有几种互补的方式来看待它，其中包括：

• std::list 是单个对象，对其的访问必须同步，而数组只是其元素的集合，就同步要求而言，它本身并不是一个独特的对象。

• std::list 有成员——例如保持当前列表大小——被所有操作使用，必须同步访问。

无论您选择如何查看它，都必须确保如果其中一个线程修改了 std::list，则两个线程不能同时访问它。

Answer 2

跟进

虽然第二个代码确实有错误，但事实证明 macOS 确实忽略了sem_wait()。我试图用 0 初始化所有信号量，期望程序进入死锁，但实际上并没有。所以，如果在 macOS 上运行，请参考this answer

Answer 3

rand() % 6 可以生成一些有趣的序列；所以虚假唤醒不可能消耗是可以预料的。

除此之外，唯一令人困惑的是：

consuming: producing: 29
87
not possible to consume

这不是那么令人困惑； io 语句交错。如果他们没有，您会看到：

consuming: 87
producing: 29
not possible to consume

最后一条语句是在生产者创建之前检查条件的结果29。