Linux C 多線程生產者消費者模型完整實現：互斥鎖與條件變量實戰

生產者消費者模型核心邏輯

經典並發模式：生產者向共享緩衝區放入數據，消費者從中取出處理。核心約束：

• 緩衝區滿時生產者等待
• 緩衝區空時消費者等待
• 對緩衝區操作需互斥

Linux pthread 提供 pthread_mutex_t（互斥鎖）和 pthread_cond_t（條件變量）實現同步。

線程安全隊列實現

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

#define MAXLENGTH 10

typedef char *datatype;

typedef struct node {
    datatype name;
    struct node *next;
} node;

typedef struct queue {
    node *front, *rear;
    int len;
} queue;

void queue_init(queue *q) {
    q->front = q->rear = NULL;
    q->len = 0;
}

void queue_put(queue *q, datatype new_name) {
    node *mynode = malloc(sizeof(node));
    mynode->name = new_name;
    mynode->next = NULL;
    if (q->rear) q->rear->next = mynode;
    q->rear = mynode;
    if (q->front == NULL) q->front = mynode;
    q->len++;
}

datatype queue_get(queue *q) {
    node *mynode = q->front;
    datatype myname = mynode->name;
    q->front = q->front->next;
    q->len--;
    free(mynode);
    return myname;
}

void queue_print(queue *q) {
    node *tmp = q->front;
    while (tmp) {
        printf("%s ", tmp->name);
        tmp = tmp->next;
    }
    printf("\n");
}

同步機制：互斥鎖 + 雙條件變量

// 全局同步對象
pthread_cond_t q_not_full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t q_not_empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *producer(void *arg) {
    queue *qt = (queue *)arg;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&qlock);
        
        // 緩衝區滿，等待 not_full 信號
        while (qt->len >= MAXLENGTH) {
            pthread_cond_wait(&q_not_full, &qlock);
        }
        
        queue_put(qt, "*");  // 生產數據
        printf("生產: 長度=%d\n", qt->len);
        
        pthread_mutex_unlock(&qlock);
        pthread_cond_signal(&q_not_empty);  // 通知消費者
        
        usleep(100000);  // 模擬生產耗時
    }
    return NULL;
}

void *consumer(void *arg) {
    queue *qt = (queue *)arg;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&qlock);
        
        // 緩衝區空，等待 not_empty 信號
        while (qt->len <= 0) {
            pthread_cond_wait(&q_not_empty, &qlock);
        }
        
        datatype name = queue_get(qt);  // 消費數據
        printf("消費: %s, 剩餘長度=%d\n", name, qt->len);
        
        pthread_mutex_unlock(&qlock);
        pthread_cond_signal(&q_not_full);  // 通知生產者
        
        usleep(150000);  // 模擬消費耗時
    }
    return NULL;
}

關鍵同步細節解析

1. while 而非 if：pthread_cond_wait 可能發生虛假喚醒，必須用 while 重新檢查條件。
2. 鎖的範圍：鎖保護「檢查條件 → 修改隊列」的原子性，cond_wait 內部自動釋放鎖並休眠，喚醒後重新獲取鎖。
3. 信號 vs 廣播：單生產單消費用 signal 足夠；多生產/多消費建議 broadcast 避免信號丟失。
4. 初始化：靜態初始化器 PTHREAD_COND_INITIALIZER、PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 簡化代碼。

主程序與編譯運行

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    queue *q = malloc(sizeof(queue));
    queue_init(q);
    
    pthread_create(&tid1, NULL, producer, q);
    pthread_create(&tid2, NULL, consumer, q);
    
    // 運行 5 秒後退出（演示用）
    sleep(5);
    printf("主線程退出\n");
    return 0;  // 實際項目需優雅關閉：設置標誌、broadcast、join
}

# 編譯（必須鏈接 pthread）
gcc -Wall -O2 -o prod_cons prod_cons.c -lpthread

# 運行
./prod_cons

生產級優化建議

• 優雅關閉：引入 volatile bool shutdown，生產者/消費者檢查後 break，主線程 pthread_cond_broadcast 喚醒所有等待線程，隨後 pthread_join 回收。
• 無鎖隊列：高性能場景可用環形緩衝區 + 原子操作（__atomic / C11 atomic）實現無鎖 SPSC 隊列。
• 批量操作：減少鎖爭用，單次鎖內處理多個元素。
• 優先級反轉：實時系統需設置 mutex 屬性 PTHREAD_PRIO_INHERIT。
• 內存池：頻繁 malloc/free 可改用對象池減少系統調用。

常見錯誤排查