多线程程序设计（一）——Single Threaded Execution

本文摘要了《Java多线程设计模式》一书中提及的 Single Threaded Execution 的适用场景，并针对书中例子（若干名称有微调）给出一份 C++ 参考实现及其 UML 逻辑图，也列出与之相关的模式。

◆ 适用场景

避免因多个线程同时访问一个共享数据而破坏数据的完整性。

◆ 解决方案

使用互斥元与 RAII（资源获取即初始化）相配合，保护临界区，保证同一时间点内仅有一条线程能访问共享数据。

◆ 参考实现

例子模拟 3 个人频繁地经过一扇只能允许一个人经过的门。当人通过门的时候，程序会打印出已经通过的人次数和当前人的信息。

class Gate
{

    ...

    mutable
    mutex                     #2
    __mtx__;


    void
    __check__()
    {
        if (__name__[0] != __address__[0])
            std::printf("%s\n", ("***** BROKEN *****" + to_string()).c_str());
        else
            std::printf("%s\n", ("******* OK *******" + to_string()).c_str());
    }

    
    ....


    void
    pass(string name, string address)               #1
    {
        lock_guard<mutex> guard(__mtx__);             #3
        ...
        __check__();                            #4
    }



    string
    to_string() const
    {
        ...
    }

};

一个人只能独自通过这扇门，这个过程被定义为临界区（#1），该区域由互斥元 __mtx__（#2）来保护。为简化在正常和异常情况下互斥元的上锁和开锁操作，用实现了 RAII 语法的 lock_guard 类模板来包覆（#3）。通过门的过程中，打印当前人员通过的信息（#4）。

class User
{

    ...    

    Gate &
    __gate__;

    ...

    void
    run()                       #1
    {
        std::printf("%s\n", (__name__ + " BEGIN").c_str());
        while (true) {                              #2
            __gate__.pass(__name__, __address__);
            std::this_thread::sleep_for(milliseconds(std::rand() % 1000));
        }
    }

};

...

int
main(int argc, char * argv[])
{
    ...
    
    Gate gate;
    User alice("Alice", "Alaska", gate);
    User bobby("Bobby", "Brazil", gate);
    User chris("Chris", "Canada", gate);

    thread t1(&User::run, &alice);
    thread t2(&User::run, &bobby);      #3
    thread t3(&User::run, &chris);

    t1.join();
    t2.join();                  #4
    t3.join();

    ...
}

User::run() 作为线程的初始函数（#1），模拟人频繁地通过门（#2）。在主线程中启动这 3 个人的子线程（#3）后，等待子线程完成（#4）。

以下类图展现了代码主要逻辑结构,

以下顺序图展现了线程间并发中的交互。

◆ 验证测试

笔者在实验环境一中编译代码（-std=c++11）成功后运行可执行文件，

$ g++ -std=c++11 -lpthread single_threaded_execution.cpp 
$ ./a.out

运行结果如下：

Alice BEGIN
Bobby BEGIN
Chris BEGIN
*****   OK   ***** No.1: Bobby, Brazil
*****   OK   ***** No.2: Alice, Alaska
*****   OK   ***** No.3: Chris, Canada
*****   OK   ***** No.4: Bobby, Brazil
*****   OK   ***** No.5: Chris, Canada
*****   OK   ***** No.6: Chris, Canada
*****   OK   ***** No.7: Alice, Alaska
*****   OK   ***** No.8: Bobby, Brazil
*****   OK   ***** No.9: Chris, Canada
*****   OK   ***** No.10: Bobby, Brazil
*****   OK   ***** No.11: Alice, Alaska
*****   OK   ***** No.12: Bobby, Brazil
*****   OK   ***** No.13: Chris, Canada
*****   OK   ***** No.14: Bobby, Brazil
*****   OK   ***** No.15: Alice, Alaska
*****   OK   ***** No.16: Alice, Alaska
...

可以看到三个线程交替地、顺序地打印出已经通过的次数和当前线程信息。

◆ 相关模式

• 待访问的共享数据不会改变时，可使用 Immutable 模式。
• 想要分离“读”线程和“读”线程，可以使用 Read-Write Lock 模式。

◆ 最后

完整的代码请参考 [gitee] cnblogs/18743090 。

致《Java多线程设计模式》的作者结城浩。写作中也参考了《C++并发编程实战》中的若干建议，致作者 Anthony Williams 和译者周全等。