C++实现管程与同步队列

一、管程

1.1 简介

　　管程可以视为一个线程安全的数据结构，其内部提供了互斥与同步操作，向外提供访问共享数据的专用接口(接口被称为管程的过程)，通过管程提供的接口即可达成共享数据的保护与线程间同步。

　　使用管程，可以简化线程间互斥、同步的编码复杂度(否则需自己控制互斥、同步机制，并保证正确)，可以集中分散的互斥、同步操作代码，更容易验证、查错，也更可读(反之，信号量的PV操作可能分散到各个地方，验证、阅读相对麻烦)。

1.2 管程的特点

  • 共享数据仅能被管程的过程访问
  • 线程通过调用管程的过程进入管程
  • 任何时候仅能有一个线程在管程中执行，其他阻塞直到可用
  • 管程内共享数据不可用时
    • 需要共享数据的线程将阻塞并释放管程
    • 其他线程可进入管程构造数据可用条件，并通知阻塞线程
  • 管程内共享数据可用时， 被阻塞线程将在合适时间重新进入管程

1.3 管程分类

管程中仅能有一个线程在其中执行，根据发起通知时，被唤醒线程(T1)执行，还是唤醒线程(T2)继续执行，可将管程分为三种：

  • Mesa管程(Lampson/Redell)：T2继续执行直到退出，T1进入入口队列，后面与其他线程公平竞争(由于不是立刻执行，所以当T1执行时，条件可能已经不满足，因此需循环检测条件是否仍旧达成)。
  • Hoare管程：T2立即阻塞并释放管程，T1马上执行，退出后T2恢复执行(多两次线程切换)。
  • Brinch Hanson管程：T2的通知操作仅允许在退出时发送通知，通知发送后T2结束，T1开始执行。

1.4 管程的实现

根据前述管程特点，管程应该是一个对象，内部封装了资源，该对象实现了互斥及与阻塞、唤醒机制
使用锁，搭配条件变量来实现互斥及与阻塞、唤醒机制
下面简单介绍条件变量，后面的管程代码有一个小优化，涉及对条件变量实现的理解

1.4.1 条件变量

　　条件变量是同步原语，其内部有一个队列，用于存放被wait阻塞的线程，当另一个线程发起通知时，如果队列不为空，队头线程将被唤醒，否则，什么也不做。条件变量也可以一次性唤醒队列中的全部阻塞线程。

1.4.1.1 条件变量的一种实现

 　　条件变量里有一个存储阻塞线程的队列。由于阻塞线程和唤醒通知线程都需要访问这同一队列，所以还有一个用于保护队列的锁，锁粒度不大，并且不需要线程切换，应为自旋锁。

 　　wait函数会将当前线程入队，并原子的进行锁释放与当前线程阻塞，阻塞直到另一线程通知才解除，解除后重新获取锁。锁释放与当前线程阻塞必须是原子的，否则，别的线程发出的唤醒通知，可能发生在当前线程阻塞之前，这会造成唤醒丢失。

signal函数出队一个阻塞线程并唤醒他，当队列为空时，不做任何事情。

 broadcast函数将逐个唤醒队列中的所有阻塞线程。

1.4.2 管程实现代码

 下面实现了一个管程，同时符合mesa与hanson管程的定义，并且做了一些优化，取消掉了不必要的通知操作。

 1 #ifndef __MONITOR_H_
 2 #define __MONITOR_H_
 3 
 4 #include <list>
 5 #include <mutex>
 6 #include <utility>
 7 #include <condition_variable>
 8 
 9 template<typename T>
10 class Monitor{
11 public:
12     Monitor(): m_iMaxCount(100), m_bStop(false){
13     }
14     Monitor(int iMaxCount) : m_iMaxCount(iMaxCount), m_bStop(false){
15     }
16     ~Monitor() = default;
17 
18     void Enqueue(const T& data){
19         Append(data);
20     }
21 
22     void Enqueue(T&& data){
23         Append(std::forward<T>(data));    //转发data的原属性，此处转发data的右值引用
24     }
25 
26     void Dequeue(T& data){
27         std::unique_lock<std::mutex> lk(m_mMutex);
28         m_cvNotEmpty.wait(lk, [this](){return m_bStop || !IsEmpty(); });
29         if(m_bStop){
30             return;
31         }
32         bool bNeedNotify = IsFull();
33         data = m_listData.front();
34         m_listData.pop_front();
35         lk.unlock();
36         if(bNeedNotify){
37             m_cvNotFull.notify_one();
38         }
39     }
40 
41     void Stop(){
42         {
43             std::lock_guard<std::mutex> lk(m_mMutex);
44             m_bStop = true;
45         }
46         m_cvNotEmpty.notify_all();
47         m_cvNotFull.notify_all();
48     }
49 
50 private:
51     template<typename U>
52     void Append(U&& data){                                //实现通用引用
53         std::unique_lock<std::mutex> lk(m_mMutex);
54         m_cvNotFull.wait(lk, [this](){return m_bStop || !IsFull(); });
55         if(m_bStop){
56             return;
57         }
58         bool bNeedNotify = IsEmpty();
59         m_listData.emplace_back(std::forward<U>(data));    //再次转发
60         lk.unlock();
61         if(bNeedNotify){
62             m_cvNotEmpty.notify_one();
63         }
64     }
65 
66     bool IsFull(){
67         return static_cast<int>(m_listData.size()) == m_iMaxCount;
68     }
69 
70     bool IsEmpty(){
71         return 0 == static_cast<int>(m_listData.size());
72     }
73 
74     Monitor(const Monitor& rhs) = delete;
75     Monitor(Monitor&& rhs) = delete;
76     Monitor& operator=(const Monitor& rhs) = delete;
77     Monitor& operator=(Monitor&& rhs) = delete;
78 
79 private:
80     int m_iMaxCount;
81     bool m_bStop;
82     std::mutex m_mMutex;
83     std::list<T> m_listData;
84     std::condition_variable m_cvNotEmpty;
85     std::condition_variable m_cvNotFull;
86 };
87 
88 #endif //!__MONITOR_H_
View Code
  • 代码中条件变量使用了带可调用对象作为参数的wait，它的实现是这样的 
    1 template<typename _Predicate>
2   void
3   wait(unique_lock<mutex>& __lock, _Predicate __p)
4   {
5     while (!__p())
6         wait(__lock);
7   }

可调用对象返回true则什么都不做，否则，重复wait到满足条件，这可以避免虚假唤醒，同时也是Mesa管程的行为

  • 进行队列不满、不空通知前，检查队列原状态 ，通过状态判断是否进行notify
    • 在由满到不满，空到不空这两种状态变化下，才进行通知
    • 根据上面的条件变量的signal函数实现可知，通知时会使用到锁，虽然锁粒度很小，并且是自旋锁，但是也存在较大的性能消耗，通过一个简单的判断，避免了通知，也就避免了锁
  • 模板方法Append实现了通用引用，使得Append同时支持引用左值与右值，配合std::forward可将参数原属性(左值引用或右值引用)转发给另一个函数当参数
    • 实现通用引用必须含有&&，并且需要发生类型推导，所以Append必须是不同的模板参数U，而不能和类模板Monitor一样为T(T的类型在模板实例化时固定，将不能发生类型推导)
    • 一切变量都是左值(变量本身分配有内存空间，可以对其取地址)，所以在调用实现了通用引用函数时，应该std::forward一下，否则通用引用绑定的是变量本身(左值)，即得到左值引用
    • std::forward靠引用折叠实现对原属性的转发：含左值引用折叠后为左值引用，否则为右值引用
 1 template<typename _Tp>
 2     constexpr _Tp&&
 3     forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type& __t) noexcept
 4     { return static_cast<_Tp&&>(__t); }
 5 
 6 template<typename _Tp>
 7     constexpr _Tp&&
 8     forward(typename std::remove_reference<_Tp>::type&& __t) noexcept
 9     {
10     static_assert(!std::is_lvalue_reference<_Tp>::value, "template argument"
11     " substituting _Tp is an lvalue reference type");
12     return static_cast<_Tp&&>(__t);
13     }
  • 参数_Tp若为type &(左值引用)

 则static_cast<_Tp&&>为static_cast<type& &&>，折叠后为static_cast<type&>， 所以转发返回值仍为为左值引用。

  • 参数_Tp若为type &&(右值引用)

则static_cast<_Tp&&>为static_cast<type&& &&>，折叠后为static_cast<type&&>， 所以转发返回仍为右值引用 。

  • Enqueue最好不要以通用引用方式实现，除非调用者明确知道使用std::forward(不用的代价为丢失右值语义)

 二、同步队列

2.1 简介

管程其实也是一种同步队列，现在

  • 在管程的基础上添加Try类操作，Try类操作操作时，若条件无法满足，则立刻返回false，不阻塞
  • 添加获取元素个数的方法

得到同步队列如下

2.2 代码

  1 #ifndef __SyncQueue_H_
  2 #define __SyncQueue_H_
  3 
  4 #include <list>
  5 #include <mutex>
  6 #include <utility>
  7 #include <condition_variable>
  8 
  9 template<typename T>
 10 class SyncQueue{
 11 public:
 12     SyncQueue() : m_iMaxCount(100), m_bStop(false){
 13     }
 14     SyncQueue(int iMaxCount) : m_iMaxCount(iMaxCount), m_bStop(false){
 15     }
 16     ~SyncQueue() = default;
 17 
 18     void Enqueue(const T& data){
 19         Append(data);
 20     }
 21 
 22     void Enqueue(T&& data){
 23         Append(std::forward<T>(data));    //转发data的原属性，此处转发data的右值引用
 24     }
 25 
 26     bool TryEnqueue(const T& data){
 27         return TryAppend(data);
 28     }
 29 
 30     bool TryEnqueue(T&& data){
 31         return TryAppend(std::forward<T>(data));
 32     }
 33 
 34     void Dequeue(T& data){
 35         std::unique_lock<std::mutex> lk(m_mMutex);
 36         m_cvNotEmpty.wait(lk, [this](){return m_bStop || !IsEmpty(); });
 37         if(m_bStop){
 38             return;
 39         }
 40         bool bNeedNotify = IsFull();
 41         data = m_listData.front();
 42         m_listData.pop_front();
 43         lk.unlock();
 44         if(bNeedNotify){
 45             m_cvNotFull.notify_one();
 46         }
 47     }
 48 
 49     bool TryDequeue(T& data){
 50         std::unique_lock<std::mutex> lk(m_mMutex);
 51         if(m_bStop || IsEmpty()){
 52             return false;
 53         }
 54         bool bNeedNotify = IsFull();
 55         data = m_listData.front();
 56         m_listData.pop_front();
 57         lk.unlock();
 58         if(bNeedNotify){
 59             m_cvNotFull.notify_one();
 60         }
 61         return true;
 62     }
 63 
 64     void Stop(){
 65         {
 66             std::lock_guard<std::mutex> lk(m_mMutex);
 67             m_bStop = true;
 68         }
 69         m_cvNotEmpty.notify_all();
 70         m_cvNotFull.notify_all();
 71     }
 72 
 73     int Size(){
 74         std::lock_guard<std::mutex> lk(m_mMutex);
 75         return static_cast<int>(m_listData.size());
 76     }
 77 
 78 private:
 79     template<typename U>
 80     bool TryAppend(U&& data){                                //实现通用引用
 81         std::unique_lock<std::mutex> lk(m_mMutex);
 82         if(m_bStop || IsFull()){
 83             return false;
 84         }
 85         bool bNeedNotify = IsEmpty();
 86         m_listData.emplace_back(std::forward<U>(data));    //再次转发
 87         lk.unlock();
 88         if(bNeedNotify){
 89             m_cvNotEmpty.notify_one();
 90         }
 91         return true;
 92     }
 93 
 94     template<typename U>
 95     void Append(U&& data){                                //实现通用引用
 96         std::unique_lock<std::mutex> lk(m_mMutex);
 97         m_cvNotFull.wait(lk, [this](){return m_bStop || !IsFull(); });
 98         if(m_bStop){
 99             return;
100         }
101         bool bNeedNotify = IsEmpty();
102         m_listData.emplace_back(std::forward<U>(data));    //再次转发
103         lk.unlock();
104         if(bNeedNotify){
105             m_cvNotEmpty.notify_one();
106         }
107     }
108 
109     bool IsFull(){
110         return static_cast<int>(m_listData.size()) == m_iMaxCount;
111     }
112 
113     bool IsEmpty(){
114         return 0 == static_cast<int>(m_listData.size());
115     }
116 
117     SyncQueue(const SyncQueue& rhs) = delete;
118     SyncQueue(SyncQueue&& rhs) = delete;
119     SyncQueue& operator=(const SyncQueue& rhs) = delete;
120     SyncQueue& operator=(SyncQueue&& rhs) = delete;
121 
122 private:
123     int m_iMaxCount;
124     bool m_bStop;
125     std::mutex m_mMutex;
126     std::list<T> m_listData;
127     std::condition_variable m_cvNotEmpty;
128     std::condition_variable m_cvNotFull;
129 };
130 
131 #endif //!__SyncQueue_H_
View Code

三、转载于

https://www.cnblogs.com/Keeping-Fit/p/15064039.html#wiz-toc-6-203609834

posted @ 2021-08-15 10:35  Mr-xxx  阅读(634)  评论(0)  编辑  收藏  举报