实战：用信号量与环形缓冲区实现生产者-消费者模型

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在多线程编程中，生产者-消费者模型是处理数据流的核心模式。上一篇我们讲了“条件变量+互斥锁”的实现方式，今天我们来解锁一种更轻量级的武器——信号量（Semaphore），并结合环形队列来实现高效的数据吞吐。

一、 核心蓝图：双信号量控制

在这个模型中，我们不再关注“互斥锁”来保护整个链表，而是关注资源的数量。我们把固定大小的缓冲区看作两类资源：

1. 空格子（Blank）：供生产者存放数据。
2. 产品（Product）：供消费者提取数据。

1. 信号量定义

我们引入两个信号量：

• blank_number：表示缓冲区中剩余的空闲位置数量。初始值为NUM（例如 5）。
• product_number：表示缓冲区中已有的产品数量。初始值为0。

2. 环形队列（Ring Buffer）

为了避免频繁的内存分配与释放（如链表节点），我们使用一个固定大小的全局数组queue[NUM]。通过取模运算i = (i + 1) % NUM，让数组下标首尾相接，形成一个环。

二、 生产者实现逻辑

生产者的任务是将数据填入空格子。它的逻辑可以概括为：“申请空格 -> 生产 -> 增加产品”。

1. 等待空格 (sem_wait(&blank_number))：
   • 将blank_number减 1。
   • 如果blank_number为 0（说明缓冲区满了），生产者自动阻塞，等待消费者腾出位置。
2. 生产产品：
   • 将数据写入数组当前位置queue[p]。
   • 移动下标p = (p + 1) % NUM。
3. 增加产品 (sem_post(&product_number))：
   • 将product_number加 1。
   • 唤醒可能正在等待产品的消费者。

三、 消费者实现逻辑

消费者的任务是取走产品并腾出空间。它的逻辑概括为：“申请产品 -> 消费 -> 增加空格”。

1. 等待产品 (sem_wait(&product_number))：
   • 将product_number减 1。
   • 如果product_number为 0（说明缓冲区空了），消费者自动阻塞，等待生产者产出。
2. 消费产品：
   • 读取数组当前位置queue[c]的数据。
   • 移动下标c = (c + 1) % NUM。
   • (可选)将原位置清零queue[c] = 0，模拟消费动作。
3. 增加空格 (sem_post(&blank_number))：
   • 将blank_number加 1。
   • 唤醒可能正在等待空格的生产者。

四、 完整代码实现

下面的代码展示了如何使用semaphore.h实现上述逻辑。我们定义缓冲区大小为 5。

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