一、定义
信号量，从本质上来说，它是一种特殊的计数器。其核心作用在于对临界资源中资源数量进行精确的描述与把控。以电影院为例，观众们会竞相选择不同的座位，而这些座位作为共享资源，被拆分成了多个独立的部分。只要同时观影的线程（观众）数量未超出座位数量，便能确保多线程（多观众）对这一临界资源（电影院座位）的并发访问得以顺利实现。
在信号量的机制中，极为关键的一点是要保证 PV 操作的原子性。这里的计数器，其本质上就代表着临界资源的实际数量。通过一种巧妙的设计，将资源是否就绪的判断放置在临界区之外，这样一来，一旦线程能够进入相关区域，就意味着资源必然是就绪可用的。当线程申请信号量时，实际上已经间接地完成了对资源可用性的判断，这种设计极大地提高了资源利用的效率与安全性，避免了因资源竞争而可能引发的混乱与错误。
二、基于环形队列的生产消费模型
在基于环形队列的生产消费模型中，有着独特的运行规则与特性。当环形队列处于不空且不满的状态时，生产者与消费者所指向的并非同一块空间，这种设计为二者的并发操作提供了可能。只有在队列空或者满的特殊情况下，它们才会指向同一个位置。
我们可以将其类比为一场特殊的追逐游戏，在这个游戏中有三个必须满足的条件：
1、当生产者与消费者指向同一个位置，同一时刻只能有一方进行访问
当队列空时：生产者访问
当队列满时：消费者
2、消费者不能超过生产者
3、生产者不能把消费者套个圈，即不能在消费者尚未消费完之前，过度生产数据而导致数据覆盖或者逻辑混乱。
在这个模型中，生产者主要关注环形队列还有多少剩余空间，用 SpaceSem （N)表示；而消费者则侧重于关注队列中还有多少剩余数据，用 DataSem（0） 表示。通过这种方式，双方能够依据信号量的指示，有条不紊地进行生产与消费活动，实现整个系统的高效稳定运行。
三、代码如下：
main.cpp#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include "RingQueue.hpp"
#include "Task.hpp"using namespace std;struct ThreadData
{RingQueue<Task> *rq;std::string threadname;
};void *Productor(void *args)
{// sleep(3);ThreadData *td = static_cast<ThreadData*>(args);RingQueue<Task> *rq = td->rq;std::string name = td->threadname;int len = opers.size();while (true){// 1. 获取数据int data1 = rand() % 10 + 1;usleep(10);int data2 = rand() % 10;char op = opers[rand() % len];Task t(data1, data2, op);// 2. 生产数据rq->Push(t);cout << "Productor task done, task is : " << t.GetTask() << " who: " << name << endl;sleep(1);}return nullptr;
}void *Consumer(void *args)
{ThreadData *td = static_cast<ThreadData*>(args);RingQueue<Task> *rq = td->rq;std::string name = td->threadname;while (true){// 1. 消费数据Task t;rq->Pop(&t);// 2. 处理数据t();cout << "Consumer get task, task is : " << t.GetTask() << " who: " << name << " result: " << t.GetResult() << endl;// sleep(1);}return nullptr;
}int main()
{srand(time(nullptr) ^ getpid());RingQueue<Task> *rq = new RingQueue<Task>(50);pthread_t c[5], p[3];for (int i = 0; i < 1; i++){ThreadData *td = new ThreadData();td->rq = rq;td->threadname = "Productor-" + std::to_string(i);pthread_create(p + i, nullptr, Productor, td);}for (int i = 0; i < 1; i++){ThreadData *td = new ThreadData();td->rq = rq;td->threadname = "Consumer-" + std::to_string(i);pthread_create(c + i, nullptr, Consumer, td);}for (int i = 0; i < 1; i++){pthread_join(p[i], nullptr);}for (int i = 0; i < 1; i++){pthread_join(c[i], nullptr);}return 0;
}RingQueue.hpp#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>const static int defaultcap = 5;template<class T>
class RingQueue{
private:void P(sem_t &sem){sem_wait(&sem);}void V(sem_t &sem){sem_post(&sem);}void Lock(pthread_mutex_t &mutex){pthread_mutex_lock(&mutex);}void Unlock(pthread_mutex_t &mutex){pthread_mutex_unlock(&mutex);}
public:RingQueue(int cap = defaultcap):ringqueue_(cap), cap_(cap), c_step_(0), p_step_(0){sem_init(&cdata_sem_, 0, 0);sem_init(&pspace_sem_, 0, cap);pthread_cond_init(&c_mutex_, nullptr);pthread_cond_init(&p_mutex_, nullptr);}void Push(const T &in) // 生产{P(pspace_sem_);Lock(p_mutex_); // ?ringqueue_[p_step_] = in;// 位置后移，维持环形特性p_step_++;p_step_ %= cap_;Unlock(p_mutex_); V(cdata_sem_);}void Pop(T *out) // 消费{P(cdata_sem_);Lock(c_mutex_); // ?*out = ringqueue_[c_step_];// 位置后移，维持环形特性c_step_++;c_step_ %= cap_;Unlock(c_mutex_); V(pspace_sem_);}~RingQueue(){sem_destroy(&cdata_sem_);sem_destroy(&pspace_sem_);pthread_mutex_destroy(&c_mutex_);pthread_mutex_destroy(&p_mutex_);}
private:std::vector<T> ringqueue_;int cap_;int c_step_; // 消费者下标int p_step_; // 生产者下标sem_t cdata_sem_; // 消费者关注的数据资源sem_t pspace_sem_; // 生产者关注的空间资源pthread_cond_t c_mutex_;pthread_cond_t p_mutex_;
};Task.hpp#pragma once
#include <iostream>
#include <string>std::string opers="+-*/%";enum{DivZero=1,ModZero,Unknown
};class Task
{
public:Task(){}Task(int x, int y, char op) : data1_(x), data2_(y), oper_(op), result_(0), exitcode_(0){}void run(){switch (oper_){case '+':result_ = data1_ + data2_;break;case '-':result_ = data1_ - data2_;break;case '*':result_ = data1_ * data2_;break;case '/':{if(data2_ == 0) exitcode_ = DivZero;else result_ = data1_ / data2_;}break;case '%':{if(data2_ == 0) exitcode_ = ModZero;else result_ = data1_ % data2_;} break;default:exitcode_ = Unknown;break;}}void operator ()(){run();}std::string GetResult(){std::string r = std::to_string(data1_);r += oper_;r += std::to_string(data2_);r += "=";r += std::to_string(result_);r += "[code: ";r += std::to_string(exitcode_);r += "]";return r;}std::string GetTask(){std::string r = std::to_string(data1_);r += oper_;r += std::to_string(data2_);r += "=?";return r;}~Task(){}private:int data1_;int data2_;char oper_;int result_;int exitcode_;
};makefileRingQueueTest:Main.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:rm -f RingQueueTest执行结果
