C++并发编程 等待与唤醒
C++并发编程 等待与唤醒
条件变量
条件变量, 包括(std::condition_variable 和 std::condition_variable_any)
定义在 condition_variable 头文件中, 它们都需要与互斥量(作为同步工具)一起才能工作.
std::condition_variable 允许阻塞一个线程, 直到条件达成.
成员函数
void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock);
等待, 通过 notify_one(), notify_all()或伪唤醒结束等待
void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock, Predicate pred);
等待, 通过 notify_one(), notify_all()被调用, 并且谓词为 true 时结束等待.
pred 谓词必须是合法的, 并且需要返回一个值, 这个值可以和bool互相转化
cv_status wait_until(std::unique_lock<std::mutex>& lock, const std::chrono::time_point<Clock, Duration>& absolute_time);
调用 notify_one(), notify_all(), 超时或线程伪唤醒时, 结束等待.
返回值标识了是否超时.
bool wait_until(std::unique_lock<std::mutex>& lock, const std::chrono::time_point<Clock, Duration>& absolute_time, Predicate pred);
等待, 通过 notify_one(), notify_all(), 超时, 线程伪唤醒, 并且谓词为 true 时结束等待.
cv_status wait_for(std::unique_lock<std::mutex>& lock, const std::chrono::duration<Rep, Period>& relative_time);
调用 notify_one(), notify_all(), 指定时间内达成条件或线程伪唤醒时，结束等待
bool wait_for(std::unique_lock<std::mutex>& lock, const std::chrono::duration<Rep, Period>& relative_time, Predicate pred);
调用 notify_one(), notify_all(), 指定时间内达成条件或线程伪唤醒时，并且谓词为 true 时结束等待.
void notify_one() noexcept; 唤醒一个等待当前 std::condition_variable 实例的线程
void notify_all() noexcept; 唤醒所有等待当前 std::condition_variable 实例的线程
一个线程安全的队列设计:
#ifndef _THREAD_SAFE_QUEUE_ #define _THREAD_SAFE_QUEUE_ #include <condition_variable> #include <mutex> #include <queue> #include <memory> template<typename Ty, typename ConditionVar = std::condition_variable, typename Mutex = std::mutex> class ThreadSafeQueue { typedef std::queue<Ty> Queue; typedef std::shared_ptr<Ty> SharedPtr; typedef std::lock_guard<Mutex> MutexLockGuard; typedef std::unique_lock<Mutex> MutexUniqueLock; public: explicit ThreadSafeQueue() {} ~ThreadSafeQueue() {} ThreadSafeQueue(const ThreadSafeQueue&) = delete; ThreadSafeQueue& operator=(const ThreadSafeQueue&) = delete; bool IsEmpty() const { MutexLockGuard lk(mMutex); return mQueue.empty(); } void WaitAndPop(Ty& value) { MutexUniqueLock lk(mMutex); mConVar.wait(lk, [this] { return !mQueue.empty(); }); value = mQueue.front(); mQueue.pop(); } SharedPtr WaitAndPop() { MutexUniqueLock lk(mMutex); mConVar.wait(lk, [this] { return !mQueue.empty(); }); SharedPtr sp = std::make_shared<Ty>(mQueue.front()); mQueue.pop(); return sp; } bool TryPop(Ty& value) { MutexLockGuard lk(mMutex); if (mQueue.empty()) return false; value = mQueue.front(); mQueue.pop(); return true; } SharedPtr TryPop() { MutexLockGuard lk(mMutex); if (mQueue.empty()) return false; SharedPtr sp = std::make_shared<Ty>(mQueue.front()); mQueue.pop(); return sp; } void Push(const Ty& value) { MutexLockGuard lk(mMutex); mQueue.push(value); mConVar.notify_all(); } private: mutable Mutex mMutex; ConditionVar mConVar; Queue mQueue; }; #endif // _THREAD_SAFE_QUEUE_
另一个版本, 使用 shared_ptr 作为成员对队列的性能有很大的提升, 其在push时减少了互斥量持有的时间, 允许其它线程在分配内存的同时,对队列进行其它操作.
template<typename Ty, typename ConditionVar = std::condition_variable, typename Mutex = std::mutex> class ThreadSafeQueue { typedef std::shared_ptr<Ty> SharedPtr; typedef std::queue<SharedPtr> Queue; typedef std::shared_ptr<Ty> SharedPtr; typedef std::lock_guard<Mutex> MutexLockGuard; typedef std::unique_lock<Mutex> MutexUniqueLock; public: explicit ThreadSafeQueue() {} ~ThreadSafeQueue() {} ThreadSafeQueue(const ThreadSafeQueue&) = delete; ThreadSafeQueue& operator=(const ThreadSafeQueue&) = delete; bool IsEmpty() const { MutexLockGuard lk(mMutex); return mQueue.empty(); } void WaitAndPop(Ty& value) { MutexUniqueLock lk(mMutex); mConVar.wait(lk, [this] { return !mQueue.empty(); }); value = std::move(*mQueue.front()); mQueue.pop(); } SharedPtr WaitAndPop() { MutexUniqueLock lk(mMutex); mConVar.wait(lk, [this] { return !mQueue.empty(); }); SharedPtr sp = mQueue.front(); mQueue.pop(); return sp; } bool TryPop(Ty& value) { MutexLockGuard lk(mMutex); if (mQueue.empty()) return false; value = std::move(*mQueue.front()); mQueue.pop(); return true; } SharedPtr TryPop() { MutexLockGuard lk(mMutex); if (mQueue.empty()) return false; SharedPtr sp = mQueue.front(); mQueue.pop(); return sp; } void Push(const Ty& value) { SharedPtr p = std::make_shared<Ty>(value); MutexLockGuard lk(mMutex); mQueue.push(p); mConVar.notify_all(); } private: mutable Mutex mMutex; ConditionVar mConVar; Queue mQueue; };
std::future
期望(std::future)可以用来等待其他线程上的异步结果, 其实例可以在任意时间引用异步结果.
C++包括两种期望, std::future(唯一期望) 和 std::shared_future(共享期望)
std::future 的实例只能与一个指定事件相关联.
std::shared_future 的实例能关联多个事件, 它们同时变为就绪状态, 并且可以访问与事件相关的任何数据.
在与数据无关的地方，可以使用 std::future<void> 与 std::shared_future<void> 的特化模板.
期望对象本身并不提供同步访问, 如果多个线程要访问一个独立的期望对象, 需要使用互斥体进行保护.
std::packaged_task
std::packaged_task 可包装一个函数或可调用的对象, 并且允许异步获取该可调用对象产生的结果, 返回值通过 get_future 返回的 std::future 对象取得, 其返回的 std::future 的模板类型为 std::packaged_task 模板函数签名中的返回值类型.
std::packaged_task 对象被调用时, 就会调用相应的函数或可调用对象, 将期望置为就绪, 并存储返回值.
std::packaged_task 的模板参数是一个函数签名, 如 int(std::string&, double*), 构造 std::packaged_task 实例时必须传入一个可以匹配的函数或可调用对象, 也可以是隐藏转换能匹配的.
std::packaged_task<std::string(const std::string&)> task([](std::string str) { std::stringstream stm; stm << "tid:" << std::this_thread::get_id() << ", str:" << str << std::endl; std::cout << stm.str(); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); return std::string("MSG:Hello"); }); std::future<std::string> f = task.get_future(); std::thread t(std::move(task), std::string("package task test")); t.detach(); // 调用 f.get 返回结果, 但是须阻塞等到任务执行完成 std::cout << "main tid:" << std::this_thread::get_id() << ", result: " << f.get() << std::endl;
std::promise
std::promise 类型模板提供设置异步结果的方法, 这样其他线程就可以通过 std::future 实例来索引该结果.
class SquareRoot { std::promise<double>& prom; public: SquareRoot(std::promise<double>& p) : prom(p) {} ~SquareRoot() {} void operator()(double x) { if (x < 0) { prom.set_exception(std::make_exception_ptr(std::out_of_range("x<0"))); } else { double result = std::sqrt(x); prom.set_value(result); } } }; std::promise<double> prom; SquareRoot p(prom); std::thread t(std::bind(&SquareRoot::operator(), &p, 1)); //std::thread t(std::bind(&SquareRoot::operator(), &p, -1)); std::future<double> f = prom.get_future(); try { double v = f.get(); std::cout << "value:" << v << std::endl; } catch (std::exception& e) { std::cout << "exception:" << e.what() << std::endl; } t.join();
