【转】C++11 并发指南五(std::condition_variable 详解)
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前面三讲《C++11 并发指南二(std::thread 详解)》,《C++11 并发指南三(std::mutex 详解)》分别介绍了 std::thread,std::mutex,std::future 等相关内容,相信读者对 C++11 中的多线程编程有了一个最基本的认识,本文将介绍 C++11 标准中 <condition_variable> 头文件里面的类和相关函数。
<condition_variable > 头文件主要包含了与条件变量相关的类和函数。相关的类包括 std::condition_variable 和 std::condition_variable_any,还有枚举类型std::cv_status。另外还包括函数 std::notify_all_at_thread_exit(),下面分别介绍一下以上几种类型。
std::condition_variable 类介绍
std::condition_variable 是条件变量,更多有关条件变量的定义参考维基百科。Linux 下使用 Pthread 库中的 pthread_cond_*() 函数提供了与条件变量相关的功能, Windows 则参考MSDN。
当 std::condition_variable 对象的某个 wait 函数被调用的时候,它使用 std::unique_lock(通过 std::mutex) 来锁住当前线程。当前线程会一直被阻塞,直到另外一个线程在相同的 std::condition_variable 对象上调用了 notification 函数来唤醒当前线程。
std::condition_variable 对象通常使用 std::unique_lock<std::mutex> 来等待,如果需要使用另外的 lockable 类型,可以使用 std::condition_variable_any 类,本文后面会讲到 std::condition_variable_any 的用法。
首先我们来看一个简单的例子
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variablestd::mutex mtx; // 全局互斥锁. std::condition_variable cv; // 全局条件变量. bool ready = false; // 全局标志位.void do_print_id(int id) {std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待...cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后,// 线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id.std::cout << "thread " << id << '\n'; }void go() {std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);ready = true; // 设置全局标志位为 true.cv.notify_all(); // 唤醒所有线程. }int main() {std::thread threads[10];// spawn 10 threads:for (int i = 0; i < 10; ++i)threads[i] = std::thread(do_print_id, i);std::cout << "10 threads ready to race...\n";go(); // go!for (auto & th:threads)th.join();return 0; }
执行结果如下:
concurrency ) ./ConditionVariable-basic1 10 threads ready to race... thread 1 thread 0 thread 2 thread 3 thread 4 thread 5 thread 6 thread 7 thread 8 thread 9
好了,对条件变量有了一个基本的了解之后,我们来看看 std::condition_variable 的各个成员函数。
std::condition_variable 构造函数
default (1) |
condition_variable(); |
---|---|
copy [deleted] (2) |
condition_variable (const condition_variable&) = delete; |
std::condition_variable 的拷贝构造函数被禁用,只提供了默认构造函数。
std::condition_variable::wait() 介绍
unconditional (1) |
void wait (unique_lock<mutex>& lck); |
---|---|
predicate (2) |
template <class Predicate>void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred); |
std::condition_variable 提供了两种 wait() 函数。当前线程调用 wait() 后将被阻塞(此时当前线程应该获得了锁(mutex),不妨设获得锁 lck),直到另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程。
在线程被阻塞时,该函数会自动调用 lck.unlock() 释放锁,使得其他被阻塞在锁竞争上的线程得以继续执行。
另外,一旦当前线程获得通知(notified,通常是另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程),wait() 函数也是自动调用 lck.lock(),使得 lck 的状态和 wait 函数被调用时相同。
在第二种情况下(即设置了 Predicate),只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程,并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞。因此第二种情况类似以下代码:
while (!pred()) wait(lck);
请看下面例子(参考):
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread, std::this_thread::yield #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variablestd::mutex mtx; std::condition_variable cv;int cargo = 0; bool shipment_available() {return cargo != 0; }// 消费者线程. void consume(int n) {for (int i = 0; i < n; ++i) {std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);cv.wait(lck, shipment_available);std::cout << cargo << '\n';cargo = 0;} }int main() {std::thread consumer_thread(consume, 10); // 消费者线程.// 主线程为生产者线程, 生产 10 个物品.for (int i = 0; i < 10; ++i) {while (shipment_available())std::this_thread::yield();std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);cargo = i + 1;cv.notify_one();}consumer_thread.join();return 0; }
程序执行结果如下:
concurrency ) ./ConditionVariable-wait 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
std::condition_variable::wait_for() 介绍
unconditional (1) |
template <class Rep, class Period>cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck,const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time); |
---|---|
predicate (2) |
template <class Rep, class Period, class Predicate>bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck,const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time, Predicate pred); |
与 std::condition_variable::wait() 类似,不过 wait_for 可以指定一个时间段,在当前线程收到通知或者指定的时间 rel_time 超时之前,该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知,wait_for 返回,剩下的处理步骤和 wait() 类似。
另外,wait_for 的重载版本(predicte(2))的最后一个参数 pred 表示 wait_for 的预测条件,只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程,并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞,因此相当于如下代码:
return wait_until (lck, chrono::steady_clock::now() + rel_time, std::move(pred));
请看下面的例子(参考),下面的例子中,主线程等待 th 线程输入一个值,然后将 th 线程从终端接收的值打印出来,在 th 线程接受到值之前,主线程一直等待,每个一秒超时一次,并打印一个 ".":
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <chrono> // std::chrono::seconds #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variable, std::cv_statusstd::condition_variable cv;int value;void do_read_value() {std::cin >> value;cv.notify_one(); }int main () {std::cout << "Please, enter an integer (I'll be printing dots): \n";std::thread th(do_read_value);std::mutex mtx;std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);while (cv.wait_for(lck,std::chrono::seconds(1)) == std::cv_status::timeout) {std::cout << '.';std::cout.flush();}std::cout << "You entered: " << value << '\n';th.join();return 0; }
std::condition_variable::wait_until 介绍
unconditional (1) |
template <class Clock, class Duration>cv_status wait_until (unique_lock<mutex>& lck,const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time); |
---|---|
predicate (2) |
template <class Clock, class Duration, class Predicate>bool wait_until (unique_lock<mutex>& lck,const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time,Predicate pred); |
与 std::condition_variable::wait_for 类似,但是 wait_until 可以指定一个时间点,在当前线程收到通知或者指定的时间点 abs_time 超时之前,该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知,wait_until 返回,剩下的处理步骤和 wait_until() 类似。
另外,wait_until 的重载版本(predicte(2))的最后一个参数 pred 表示 wait_until 的预测条件,只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程,并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞,因此相当于如下代码:
while (!pred())if ( wait_until(lck,abs_time) == cv_status::timeout)return pred(); return true;
std::condition_variable::notify_one() 介绍
唤醒某个等待(wait)线程。如果当前没有等待线程,则该函数什么也不做,如果同时存在多个等待线程,则唤醒某个线程是不确定的(unspecified)。
请看下例(参考):
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variablestd::mutex mtx; std::condition_variable cv;int cargo = 0; // shared value by producers and consumersvoid consumer() {std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx);while (cargo == 0)cv.wait(lck);std::cout << cargo << '\n';cargo = 0; }void producer(int id) {std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx);cargo = id;cv.notify_one(); }int main() {std::thread consumers[10], producers[10];// spawn 10 consumers and 10 producers:for (int i = 0; i < 10; ++i) {consumers[i] = std::thread(consumer);producers[i] = std::thread(producer, i + 1);}// join them back:for (int i = 0; i < 10; ++i) {producers[i].join();consumers[i].join();}return 0; }
std::condition_variable::notify_all() 介绍
唤醒所有的等待(wait)线程。如果当前没有等待线程,则该函数什么也不做。请看下面的例子:
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variablestd::mutex mtx; // 全局互斥锁. std::condition_variable cv; // 全局条件变量. bool ready = false; // 全局标志位.void do_print_id(int id) {std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待...cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后,// 线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id.std::cout << "thread " << id << '\n'; }void go() {std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);ready = true; // 设置全局标志位为 true.cv.notify_all(); // 唤醒所有线程. }int main() {std::thread threads[10];// spawn 10 threads:for (int i = 0; i < 10; ++i)threads[i] = std::thread(do_print_id, i);std::cout << "10 threads ready to race...\n";go(); // go!for (auto & th:threads)th.join();return 0; }
std::condition_variable_any 介绍
与 std::condition_variable 类似,只不过 std::condition_variable_any 的 wait 函数可以接受任何 lockable 参数,而 std::condition_variable 只能接受 std::unique_lock<std::mutex> 类型的参数,除此以外,和 std::condition_variable 几乎完全一样。
std::cv_status 枚举类型介绍
cv_status::no_timeout | wait_for 或者 wait_until 没有超时,即在规定的时间段内线程收到了通知。 |
cv_status::timeout | wait_for 或者 wait_until 超时。 |
std::notify_all_at_thread_exit
函数原型为:
void notify_all_at_thread_exit (condition_variable& cond, unique_lock<mutex> lck);
当调用该函数的线程退出时,所有在 cond 条件变量上等待的线程都会收到通知。请看下例(参考):
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variablestd::mutex mtx; std::condition_variable cv; bool ready = false;void print_id (int id) {std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);while (!ready) cv.wait(lck);// ...std::cout << "thread " << id << '\n'; }void go() {std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);std::notify_all_at_thread_exit(cv,std::move(lck));ready = true; }int main () {std::thread threads[10];// spawn 10 threads:for (int i=0; i<10; ++i)threads[i] = std::thread(print_id,i);std::cout << "10 threads ready to race...\n";std::thread(go).detach(); // go!for (auto& th : threads) th.join();return 0; }
好了,到此为止,<condition_variable> 头文件中的两个条件变量类(std::condition_variable 和 std::condition_variable_any)、枚举类型(std::cv_status)、以及辅助函数(std::notify_all_at_thread_exit())都已经介绍完了。从下一章开始我会逐步开始介绍 <atomic> 头文件中的内容,后续的文章还会介绍 C++11 的内存模型,涉及内容稍微底层一些,希望大家能够保持兴趣,学完 C++11 并发编程,如果你发现本文中的错误,也请给我反馈 ;-)。
转载于:https://www.cnblogs.com/fvsfvs123/p/4446959.html
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