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<:mutex>& lock);

等待, 通过 notify_one(), notify_all()或伪唤醒结束等待

void wait(std::unique_lock<: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<:mutex>& lock, const std::chrono::time_point& 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<:mutex>& lock, const std::chrono::time_point& 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<:mutex>& lock, const std::chrono::duration& 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<:mutex>& lock, const std::chrono::duration& 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#include#include#includetemplate

classThreadSafeQueue

{

typedef std::queueQueue;

typedef std::shared_ptrSharedPtr;

typedef std::lock_guardMutexLockGuard;

typedef std::unique_lockMutexUniqueLock;public:explicitThreadSafeQueue() {}~ThreadSafeQueue() {}

ThreadSafeQueue(const ThreadSafeQueue&) = delete;

ThreadSafeQueue& operator=(const ThreadSafeQueue&) = delete;bool IsEmpty() const{

MutexLockGuard lk(mMutex);returnmQueue.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(mQueue.front());

mQueue.pop();returnsp;

}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(mQueue.front());

mQueue.pop();returnsp;

}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

classThreadSafeQueue

{

typedef std::shared_ptrSharedPtr;

typedef std::queueQueue;

typedef std::shared_ptrSharedPtr;

typedef std::lock_guardMutexLockGuard;

typedef std::unique_lockMutexUniqueLock;public:explicitThreadSafeQueue() {}~ThreadSafeQueue() {}

ThreadSafeQueue(const ThreadSafeQueue&) = delete;

ThreadSafeQueue& operator=(const ThreadSafeQueue&) = delete;bool IsEmpty() const{

MutexLockGuard lk(mMutex);returnmQueue.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();returnsp;

}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();returnsp;

}void Push(const Ty&value)

{

SharedPtr p= std::make_shared(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 与 std::shared_future 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<:string std::string> task([](std::stringstr) {

std::stringstream stm;

stm<< "tid:" << std::this_thread::get_id() << ", str:" << str <<:endl>

std::cout<

std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));return std::string("MSG:Hello");

});

std::future<: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.

classSquareRoot

{

std::promise&prom;public:

SquareRoot(std::promise&p) : prom(p) {}~SquareRoot() {}void operator()(doublex)

{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::promiseprom;

SquareRoot p(prom);

std::thread t(std::bind(&SquareRoot::operator(), &p, 1));//std::thread t(std::bind(&SquareRoot::operator(), &p, -1));

std::future f =prom.get_future();try{double v = f.get();

std::cout<< "value:" << v <<:endl>

}catch (std::exception&e)

{

std::cout<< "exception:" << e.what() <<:endl>

}

t.join();