《探索C++多线程》:condition_variable源码(一)
https://blog.csdn.net/hujingshuang/article/details/70596630
现在接着学习关于多线程编程的特征,在这一节,将会了解到多线程中的condition_variable(条件变量)的相关知识。
在头文件<condition_variable>中有两种条件变量的类声明与定义:condition_variable、condition_variable_any,在这一节中先来了解condition_variable。
condiction_variable
条件变量是一种多线程的同步机制,它能够阻塞线程,直到某一条件满足。条件变量要与互斥量联合使用,以避免出现竞争的情况,当调用condition_variable的一个等待函数时,它使用一个unique_lock对象来锁定线程。
源码之前,了无秘密。下面就将来看一下condition_variable源码,如下:
-
class condition_variable {
-
public:
-
typedef _Cnd_t native_handle_type;
-
-
condition_variable() { // 构造函数,初始化条件变量,所有的条件变量必须初始化后才能使用。
-
_Cnd_initX(&_Cnd);
-
}
-
-
~condition_variable() _NOEXCEPT { // 析构函数
-
_Cnd_destroy(&_Cnd);
-
}
-
-
condition_variable(const condition_variable&) = delete;
-
condition_variable& operator=(const condition_variable&) = delete;
-
-
void notify_one() _NOEXCEPT { // 唤醒一个在等待线程
-
_Cnd_signalX(&_Cnd);
-
}
-
-
void notify_all() _NOEXCEPT { // 唤醒所有在等待的线程
-
_Cnd_broadcastX(&_Cnd);
-
}
-
-
void wait(unique_lock<mutex>& _Lck) { // 等待
-
_Cnd_waitX(&_Cnd, &_Lck.mutex()->_Mtx);
-
}
-
-
template<class _Predicate>
-
void wait(unique_lock<mutex>& _Lck, _Predicate _Pred) { // 等待,带有描述式
-
while (!_Pred())
-
wait(_Lck);
-
}
-
-
template<class _Rep, class _Period>
-
_Cv_status wait_for(unique_lock<mutex>& _Lck, const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time) {
-
stdext::threads::xtime _Tgt = _To_xtime(_Rel_time);
-
return (wait_until(_Lck, &_Tgt));
-
}
-
-
template<class _Rep, class _Period, class _Predicate>
-
bool wait_for(unique_lock<mutex>& _Lck, const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time, _Predicate _Pred) {
-
stdext::threads::xtime _Tgt = _To_xtime(_Rel_time);
-
return (wait_until(_Lck, &_Tgt, _Pred));
-
}
-
-
template<class _Clock, class _Duration>
-
_Cv_status wait_until( unique_lock<mutex>& _Lck, const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& _Abs_time) {
-
typename chrono::time_point<_Clock, _Duration>::duration
-
_Rel_time = _Abs_time - _Clock::now();
-
return (wait_for(_Lck, _Rel_time));
-
}
-
-
template<class _Clock, class _Duration, class _Predicate>
-
bool wait_until(unique_lock<mutex>& _Lck, const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& _Abs_time, _Predicate _Pred) {
-
typename chrono::time_point<_Clock, _Duration>::duration
-
_Rel_time = _Abs_time - _Clock::now();
-
return (wait_for(_Lck, _Rel_time, _Pred));
-
}
-
-
_Cv_status wait_until( unique_lock<mutex>& _Lck, const xtime *_Abs_time) {
-
if (!_Mtx_current_owns(&_Lck.mutex()->_Mtx))
-
_Throw_Cpp_error(_OPERATION_NOT_PERMITTED);
-
int _Res = _Cnd_timedwaitX(&_Cnd, &_Lck.mutex()->_Mtx, _Abs_time);
-
return (_Res == _Thrd_timedout ? cv_status::timeout : cv_status::no_timeout);
-
}
-
-
template<class _Predicate>
-
bool wait_until(unique_lock<mutex>& _Lck, const xtime *_Abs_time, _Predicate _Pred) {
-
bool _Res = true;
-
while (_Res && !_Pred())
-
_Res = wait_until(_Lck, _Abs_time)
-
!= cv_status::timeout;
-
return (_Pred());
-
}
-
-
native_handle_type native_handle() { // 返回条件变量的句柄
-
return (_Cnd);
-
}
-
-
void _Register(unique_lock<mutex>& _Lck, int *_Ready) {
-
_Cnd_register_at_thread_exit(&_Cnd, &_Lck.release()->_Mtx, _Ready);
-
}
-
-
void _Unregister(mutex& _Mtx) {
-
_Cnd_unregister_at_thread_exit(&_Mtx._Mtx);
-
}
-
-
private:
-
_Cnd_t _Cnd;
-
};
首先,我们来看构造函数和析构函数:
-
condition_variable() { // 构造函数,初始化条件变量,所有的条件变量必须初始化后才能使用。
-
_Cnd_initX(&_Cnd);
-
}
-
-
~condition_variable() _NOEXCEPT { // 析构函数
-
_Cnd_destroy(&_Cnd);
-
}
其次,我们来分析condition_variable的等待、唤醒操作:
等待操作:wait()、wait_for()、wait_until()
唤醒操作:notify_one()、notify_all()
在详细讲解之前,先来看一段代码,然大家了解是如何使用condition_variable的,如下:
-
-
-
-
-
-
using namespace std;
-
-
mutex mtx; // 互斥量
-
condition_variable cv; // 条件变量
-
bool ready = false; // 标志量
-
-
void print_id(int id) {
-
unique_lock<mutex> lck(mtx); // 上锁
-
while (!ready) {
-
cv.wait(lck); // 线程等待直到被唤醒(释放锁 + 等待,唤醒,在函数返回之前重新上锁)
-
}
-
cout << "thread " << id << '\n';
-
}
-
-
void go() {
-
unique_lock<mutex> lck(mtx); // 上锁
-
ready = true;
-
cv.notify_all(); // 唤醒所有正在等待(挂起)的线程(在这里面要释放锁,为了在wait函数返回之前能成功的重新上锁)
-
}
-
-
int main() {
-
thread threads[10];
-
for (int i = 0; i<10; ++i) {
-
threads[i] = thread(print_id, i);
-
}
-
-
cout << "10 threads ready to race...\n";
-
go();
-
-
for (auto& th : threads) {
-
th.join();
-
}
-
-
return 0;
-
}
首先,定义了几个全局变量:互斥量(mtx)、条件变量(cv)、标志量(ready)。整个代码的作用就是,当10个线程都准备好了之后,再并发执行(就好像赛马,把马牵出来,当所有马匹在赛道上就绪之后,再开始跑),也就是使用条件变量起到同步的作用。
在代码中结合使用了mutex与condition_variable,请大家仔细阅读一下代码,然后再仔细阅读下面的解析:
1、在print_id中,线程先将互斥量上锁(使用的unique_lock<mutex>),再判断ready,若ready为false,说明条件不满足,那么调用条件变量的wait()方法将线程挂起;
2、当所有的线程都在等待状态时,说明所有线程已就绪,此时在主线程中将ready设为true,并调用notify_all()将所有挂起线程唤醒;
3、所有线程被唤醒之后,并发执行打印自己的id;
4、使用thread::join()方法,等所有线程都执行完毕,主线程才接着执行,直到出现结束。
我们举例代码的运行过程就是这样,但是我们仔细想一想第1个过程:当有一个线程一来,就将互斥量先上了锁,然后发现条件不满足,就进入了挂起状态,此时代码中并没有解锁操作,那么该线程就一直持有锁(锁被独占了),这样的话其他线程根本就没有机会获取锁,那还谈什么后面的全部线程挂起、并发执行呢?
实际上,上述分析并没有错,确实是这样的道理。但是这种问题是怎么解决的呢,其实这就是条件变量对象中wait()、notify()方法要处理的了,过程如下:
1、线程A一来,就将互斥量上锁(持有了锁),ready为false,那么线程A将调用条件变量的wait()方法;
2、在wait()方法中,做的第一件事就是将互斥量解锁(释放持有权),并进入等待状态(在wait()中阻塞,线程A挂起);
3、现在线程B来了,互斥量是没有上锁的,所以线程B能持有锁,同理,接下来线程B也会挂起;
4、当所有线程都挂起了(就绪),此时互斥量也没有被上锁,在主线程中将ready置为true,并调用notify_all()将所有挂起的线程都唤醒;
5、此时所有线程将从wait()方法中返回,比如线程C先返回,在return之前,wait()方法做的最后一件事就是自动将互斥量上锁(线程C重新持有锁,以配合unique_lock的析构函数);
6、由于while循环,此时再判断到ready为true,那么线程C将执行打印id的语句,由于此时只有线程C持有锁,不存在线程竞争问题,执行完打印之后,线程C就结束了,此时由unique_lock的析构函数解锁,释放所有权。
7、由于在wait()方法return之前,会自动重新去持有锁,若此时锁由线程C持有,则其他线程将继续阻塞,直到线程C释放锁;若线程C执行完毕后释放了锁,那么其他线程将会争取锁的持有权,争取到锁的就会像之前的线程C一样;没有争取到的就继续阻塞;
8、以此类推,由于每个线程都join,那么当所有线程执行完毕后,主线程才会继续执行;
实际上,条件变量的wait()、wait_for()、wait_until()方法中所作的事是:解锁 + 等待、唤醒、加锁,这三个是有序发生的。综上所述,这就是condition_variable与mutex联合使用的大致过程,这也是条件变量同步机制的原理。可能写得有些啰嗦。
下面,我们再来看一个例子,代码如下:
-
-
-
-
-
-
-
using namespace std;
-
-
mutex m;
-
condition_variable cv;
-
string data;
-
-
bool ready = false;
-
bool processed = false;
-
-
void worker_thread() {
-
unique_lock<mutex> lk(m); // 【1】
-
cv.wait(lk, []{return ready;}); // 等价于 while(!ready) { cv.wait(lk); }
-
-
cout << "Worker thread is processing data\n";
-
data += " after processing";
-
-
processed = true;
-
cout << "Worker thread signals data processing completed\n";
-
-
//lk.unlock(); // 手动解锁
-
cv.notify_one();
-
}
-
-
int main() {
-
thread worker(worker_thread);
-
-
data = "Example data";
-
-
{
-
lock_guard<mutex> lk(m); // 【2】
-
ready = true;
-
cout << "main() signals data ready for processing\n";
-
}
-
-
cv.notify_one(); // 唤醒线程worker
-
-
{
-
unique_lock<mutex> lk(m); // 【3】
-
cv.wait(lk, []{return processed; }); // 等价于 while(!processed) { cv.wait(lk); }
-
}
-
-
cout << "Back in main(), data = " << data << '\n';
-
-
worker.join();
-
-
getchar();
-
return 0;
-
}
可以仔细瞧瞧上述代码,拢共两个线程:主线程、线程worker。接着我们来分析一下:
1、主线程执行,并创建了线程worker,此时便有两个线程在运行了;
2、可以看到代码中标出的【1】、【2】位置处都对互斥量进行上锁,由于线程的执行是不确定的,所以并不清楚先执行【1】还是【2】,也就是说有可能主线程先持有锁,也有可能是worker先持有锁;
3、分为两种情况:
情况一:worker先持有了锁(先执行【1】),那么主线程将会被阻塞。此时由于ready为false,根据之前讲的,worker执行wait()方法时会解锁,并进入等待状态;解锁后,主线程就会争取持有锁,由于worker在等待状态,没有其他线程跟主线程竞争,主线程会立即获取锁的持有权(执行【2】),并将ready置为true,在【2】所在的代码块结束后,lock_guard的析构函数会释放锁,接下来主线程调用notify_one()方法唤醒一个正在等待的线程(这里只有worker线程处于等待状态);当worker线程被唤醒后,也就意味着要离开wait()了,在离开之前要做的最后一件事是上锁,也就是使worker重新持有锁。那么此时问题来了,由于worker已经醒来,与主线程并发执行,那到底是worker先重新持有锁,还是主线程的【3】先持有锁呢?这是一个要考虑的问题;
情况二:主线程先持有了锁(先执行【2】),那么worker将会被阻塞。在主线程中会将ready置为true,并结束【2】所在的语句块,释放锁的持有权;由于线程worker一直阻塞的,一旦互斥量解锁了,线程worker就会争取锁的持有权,那到底是worker先持有锁,还是主线程的【3】先持有锁呢?这是一个要考虑的问题。
4、
在3的情况一中:如果线程worker在wait()中争取到了锁的持有权,也就是在wait()方法中先重新上锁了,那么主线程将与worker并发执行;
① 若在worker线程手动解锁之前,执行了主线程的【3】,那么主线程将被阻塞(因为worker正持有锁),worker将processed置为true,然后手动解锁;此时主线程与worker并发执行,而且主线程将立即持有锁(没有线程竞争 了),由于此时processed为ture,主线程就不会进入等待状态,而是继续执行,直到worker执行完毕后,主线程才会结束;
② 若在worker线程手动解锁之后,执行了主线程的【3】,那么主线程不会进入等待状态(worker中processed已置为true了),而是继续执行,直到worker执行完毕后,主线程才会结束;
在3的情况一中:如果主线程争取到了锁的持有权,也就是在wait()方法中重新上锁之前,执行了主线程的【3】,那么worker将继续阻塞在wait()方法中;此时processed为false,主线程调用wait()方法,释放锁,并进入等待状态,此时worker将在wait()中重新上锁成功(无线程竞争了),worker继续执行,将processed置为true,并进行手动解锁,最后调用notify_one()唤醒一个等待的线程(有且只有主线程);主线程被唤醒后,继续执行,直到worker执行完毕后,主线程才会结束。
在3的情况二中,如果主线程争取到了锁的持有权,也就是【3】在【1】之前执行了,那么worker将继续阻塞,由于此时processed为false,主线程将调用wait()方法,解锁并进入等待状态;互斥量解锁之后,worker将会立即持有锁(由于主线程处于等待状态,没有竞争的线程了);此时,worker中判断ready,发现ready已经是true了,那么worker将继续执行不进入等待状态,执行中将processed置为true,并进行了手动解锁,最后调用notify_one()方法来唤醒一个等待状态的线程(有且只有主线程被唤醒);主线程被唤醒之后,将从wait()中返回,在返回之前做的最后一件事是重新持有锁(此时直接就持有了,没有竞争的线程);最后继续执行,直到worker执行完毕,主线程才会结束。
再来说一说为什么需要做手动解锁这一步:
其实在这个例子中,做不做手动解锁这一步,没有太大的影响,也不会影响多线程的运行结果,根据上述分析,我所能想到的影响就是,存在这么一种情况:如果不手动释放锁(worker中的lk.unlock()这条语句被注释掉了),那么主线程在等待状态时,如果worker调用了notify_one()将主线程唤醒,此时由于worker还持有锁,所以主线程的wait()方法在重新上锁时,依然会被阻塞,这种情况直到线程worker运行完毕,unique_lock的析构函数释放了锁,那么此时主线程才能重新上锁成功;也就是说,手动解锁避免了主线程被唤醒后还要被阻塞的情况。
另外,还有一点:为什么要使用unique_lock对象来对加锁、解锁呢?请参见我的下一篇文章:《探索C++多线程》:condition_variable源码(二)。
这一节花了大篇幅分析了两个例子,我觉得这样才能更好理解和运用condition_variable,可能存在很多口水话的地方,希望不要介意。
condition_variable的方法:
condition_variable::notify_one():唤醒一个处于等待状态的线程;
condition_variable::notify_all():唤醒所有处于等待状态的线程;
condition_variable::wait():将线程置于等待状态,直到被notify_xxx()唤醒;
condition_variable::wait_for():将线程置于等待状态,直到一段时间结束后自动醒来或被notify_xxx()唤醒;
condition_variable::wait_until():将线程置于等待状态,直到指定的时间点到来自动唤醒或被notify_xxx()唤醒;
以上就是本篇博文所剖析的知识点,如果有表达不清或者有误的地方,请各位大佬多多指教~