4. QNX 消息传递通道与脉冲机制实战

任务目标

在QNX Neutrino RTOS中，使用条件变量（pthread_cond_t）与互斥锁（pthread_mutex_t）实现经典的生产者-消费者模型。核心目标是：当缓冲区为空时，消费者线程必须阻塞等待，直到生产者写入数据并发出信号后才被唤醒继续消费，从而避免忙等待和无效的资源竞争。

核心实现

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

#define BUFFER_SIZE 5

/* 共享缓冲区与同步原语 */
static int buffer[BUFFER_SIZE];
static int count = 0;           /* 当前缓冲区中元素个数 */
static int in = 0;              /* 生产者写入位置 */
static int out = 0;             /* 消费者读取位置 */

static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t  cond_producer = PTHREAD_COND_INITIALIZER; /* 缓冲区满时生产者等待 */
static pthread_cond_t  cond_consumer  = PTHREAD_COND_INITIALIZER; /* 缓冲区空时消费者等待 */

/* 生产者线程：每500ms生产一个数据 */
static void* producer(void* arg) {
    int value = 0;
    (void)arg;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        /* 缓冲区满则等待消费者取走数据 */
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);
        }

        buffer[in] = value;
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        count++;
        printf("[生产者] 生产: %d (当前数量: %d)\n", value, count);

        /* 唤醒一个等待中的消费者 */
        pthread_cond_signal(&cond_consumer);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        value++;
        usleep(500 * 1000); /* 500ms */
    }
    return NULL;
}

/* 消费者线程：每1秒消费一个数据 */
static void* consumer(void* arg) {
    (void)arg;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        /* 缓冲区空则等待生产者产生数据 */
        while (count == 0) {
            printf("[消费者] 缓冲区为空，等待生产者...\n");
            pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex);
        }

        int data = buffer[out];
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        count--;
        printf("[消费者] 消费: %d (剩余数量: %d)\n", data, count);

        /* 唤醒一个等待中的生产者 */
        pthread_cond_signal(&cond_producer);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        sleep(1); /* 1秒 */
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t tid_producer, tid_consumer;

    /* 创建两个线程 */
    pthread_create(&tid_producer, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&tid_consumer, NULL, consumer, NULL);

    /* 等待线程结束（本例中线程永不退出，仅用于演示） */
    pthread_join(tid_producer, NULL);
    pthread_join(tid_consumer, NULL);

    return 0;
}

编译与运行

# 在QNX目标机上（或QNX SDP的qcc交叉编译环境）
qcc -o condvar_demo condvar_demo.c -lpthread -lrt
./condvar_demo

验证方法与判定标准

运行程序后，观察终端输出，满足以下条件即判定同步逻辑正确：

• 消费者不会空转：当缓冲区为空时，消费者打印“缓冲区为空，等待生产者...”后阻塞，不会继续打印“消费”行。
• 生产者唤醒消费者：生产者每次写入数据后打印“生产”行，随后消费者被唤醒并打印“消费”行。
• 缓冲区数量守恒：任意时刻，“当前数量”与“剩余数量”之和不超过BUFFER_SIZE（5），且两者均不会出现负值或超过5。
• 无死锁：程序持续运行，生产者与消费者交替执行，不会卡死。

由于生产者生产间隔（500ms）快于消费者消费间隔（1s），可观察到缓冲区数量逐渐累积至满，此时生产者会等待消费者取走数据——这正是条件变量解决“消费者等待生产者”与“生产者等待消费者”双向同步的典型表现。

关键说明

• 使用while而非if检查条件，防止虚假唤醒（spurious wakeup）导致条件不满足时继续执行。
• 条件变量必须与互斥锁配合使用：pthread_cond_wait原子地释放互斥锁并阻塞，被唤醒后重新获取锁。
• 本例使用两个条件变量分别管理“缓冲区满”和“缓冲区空”两种等待队列，避免生产者与消费者互相唤醒造成的无效竞争。
• 在QNX Neutrino中，pthread_cond_signal至少唤醒一个等待线程；若需唤醒全部等待者（如多个消费者），可改用pthread_cond_broadcast。