利用C++如何實現(xiàn)一個阻塞隊列詳解

更新時間：2020年10月04日 09:45:10 作者：進擊的小嘍啰

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于利用C++如何實現(xiàn)一個阻塞隊列的相關(guān)資料，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧

阻塞隊列是多線程中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于實現(xiàn)多線程之間的數(shù)據(jù)交換、同步等有很大作用。

阻塞隊列常用于生產(chǎn)者和消費者的場景，生產(chǎn)者是向隊列里添加元素的線程，消費者是從隊列里取元素的線程。簡而言之，阻塞隊列是生產(chǎn)者用來存放元素、消費者獲取元素的容器。

考慮下，這樣一個多線程模型，程序有一個主線程 master 和一些 worker 線程，master 線程負責接收到數(shù)據(jù)，給 worker 線程分配數(shù)據(jù)，worker 線程取得一個任務后便可以開始工作，如果沒有任務便阻塞住，節(jié)約 cpu 資源。

master 線程（生產(chǎn)者）：負責往阻塞隊列中塞入數(shù)據(jù)，并喚醒正在阻塞的 worker 線程。
workder 線程（消費者）：負責從阻塞隊列中取數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)便阻塞，直到被 master 線程喚醒。

那么怎樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較適合做這樣的喚醒呢？顯而易見，是條件變量，在 c++ 11 中，stl 已經(jīng)引入了線程支持庫。

C++11 中條件變量

條件變量一般與一個互斥量同時使用，使用時需要先給互斥量上鎖，然后條件變量會檢測是否滿足條件，如果不滿足條件便會暫時釋放鎖，然后阻塞線程。

c++ 11使用方法主要如下：

#include <mutex>
#include <condition_value>
// 互斥量與條件變量
std::mutex m_mutex;
std::condition_value m_condition;

// 請求信號的一方
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
while(xxx)
{
 // 這里會先釋放 lock，
 // 如果有信號喚醒的話，會重新加鎖。
 m_condition.wait(lock);
}

// 發(fā)送消息進行同步的一方
{
 std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 // 喚醒其他正在 wait 的線程
 m_condition.notify_all();
}

用 C++11 實現(xiàn)阻塞隊列

我們使用條件變量包裝 STL 中的 queue 就可以實現(xiàn)阻塞隊列功能，如果有興趣，甚至可以自己實現(xiàn)一個效率更高的隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

我們先假設一下阻塞隊列需要如下接口：

push 將一個變量塞入隊列；
take 從隊列中取出一個元素；
size 查看隊列有多少個元素；

template <typename T>
class BlockingQueue
{
public:
 BlockingQueue();
 void push(T&& value);
 T take();
 size_t size() const;
 
private:
 // 實際使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊列
 std::queue<T> m_data;

 // 條件變量
 std::mutex m_mutex;
 std::condition_variable m_condition;
};

push 一個變量時，我們需要先加鎖，加鎖成功后才可以壓入變量，這是為了線程安全。壓入變量后，就可以發(fā)送信號通知正在阻塞的條件變量。

 void push(T&& value)
 {
  // 往隊列中塞數(shù)據(jù)前要先加鎖
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
  m_data.push(value);
  // 喚醒正在阻塞的條件變量
  m_condition.notify_all();
 }

take 一個變量時，就要有些不一樣：

先加鎖，加鎖成功后，如果隊列不為空，可以直接取數(shù)據(jù)，不需要 wait；
如果隊列為空呢，則 wait 等待，直到被喚醒；
考慮特殊情況，喚醒后隊列依然是空的……

 T take()
 {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
  while(m_data.empty())
  {
   // 等待
   m_condition.wait(lock);
  }
  assert(!m_data.empty());
  T value(std::move(m_data.front()));
  m_data.pop();

  return value;
 }

總結(jié)下，代碼如下：

#ifndef BLOCKINGQUEUE_H
#define BLOCKINGQUEUE_H

#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <assert.h>

template <typename T>
class BlockingQueue
{
public:
 BlockingQueue()
  :m_mutex(),
   m_condition(),
   m_data()
 {
 }

 // 禁止拷貝構(gòu)造
 BlockingQueue(BlockingQueue&) = delete;

 ~BlockingQueue()
 {
 }

 void push(T&& value)
 {
  // 往隊列中塞數(shù)據(jù)前要先加鎖
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
  m_data.push(value);
  m_condition.notify_all();
 }

 void push(const T& value)
 {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
  m_data.push(value);
  m_condition.notify_all();
 }

 T take()
 {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
  while(m_data.empty())
  {
   m_condition.wait(lock);
  }
  assert(!m_data.empty());
  T value(std::move(m_data.front()));
  m_data.pop();

  return value;
 }

 size_t size() const
 {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
  return m_data.size();
 }
private:
 // 實際使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊列
 std::queue<T> m_data;

 // 條件變量的鎖
 std::mutex m_mutex;
 std::condition_variable m_condition;
};
#endif // BLOCKINGQUEUE_H

實驗代碼

我們寫個簡單的程序?qū)嶒炓幌?，下面程序?一個 master 線程，5個 worker 線程，master線程生成一個隨機數(shù)，求 0-隨機數(shù) 的和。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <random>

#include <windows.h>

#include <blockingqueue.h>
using namespace std;

int task=100;
BlockingQueue<int> blockingqueue;
std::mutex mutex_cout;

void worker()
{
 int value;
 thread::id this_id = this_thread::get_id();
 while(true)
 {
  value = blockingqueue.take();
  uint64_t sum = 0;
  for(int i = 0; i < value; i++)
  {
   sum += i;
  }

  // 模擬耗時操作
  Sleep(100);

  std::lock_guard<mutex> lock(mutex_cout);
  std::cout << "workder: " << this_id << " "
     << __FUNCTION__
     << " line: " << __LINE__
     << " sum: " << sum
     << std::endl;
 }
}

void master()
{
 srand(time(nullptr));
 for(int i = 0; i < task; i++)
 {
  blockingqueue.push(rand()%10000);
  printf("%s %d %i\n",__FUNCTION__, __LINE__, i);
  Sleep(20);
 }
}

int main()
{
 thread th_master(master);
 std::vector<thread> th_workers;
 for(int i =0; i < 5; i++)
 {
  th_workers.emplace_back(thread(worker));
 }

 th_master.join();
 return 0;
}

從輸出結(jié)果可以看出，master 線程將任務分配給了正在空閑的 worker 線程，具體是哪個線程就看操作系統(tǒng)的隨機調(diào)度了。

master 46 5
worker: 3 worker line: 34 sum: 20998440
master 46 6
worker: 7 worker line: 34 sum: 3308878
master 46 7
worker: 4 worker line: 34 sum: 34598721
master 46 8
worker: 6 worker line: 34 sum: 1563796
master 46 9
worker: 5 worker line: 34 sum: 27978940

Reference

條件變量

總結(jié)

到此這篇關(guān)于利用C++如何實現(xiàn)一個阻塞隊列的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++實現(xiàn)阻塞隊列內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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