C++線(xiàn)程間的互斥和通信場(chǎng)景分析
互斥鎖(mutex)
為了更好地理解,互斥鎖,我們可以首先來(lái)看這么一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景:模擬車(chē)站賣(mài)票。
模擬車(chē)站賣(mài)票
場(chǎng)景說(shuō)明:
Yang車(chē)站售賣(mài)從亞特蘭蒂斯到古巴比倫的時(shí)光飛船票;因?yàn)闄C(jī)會(huì)難得,所以票數(shù)有限,一經(jīng)發(fā)售,謝絕補(bǔ)票。
飛船票總數(shù):100張;
售賣(mài)窗口:3個(gè)。
對(duì)于珍貴的飛船票來(lái)說(shuō),這個(gè)資源是互斥的,比如第100張票,只能賣(mài)給一個(gè)人,不可能同時(shí)賣(mài)給兩個(gè)人。3個(gè)窗口都有權(quán)限去售賣(mài)飛船票(唯一合法途徑)。
不加鎖的結(jié)果
根據(jù)場(chǎng)景說(shuō)明,我們可以很快地分析如下:
可以使用三個(gè)線(xiàn)程來(lái)模擬三個(gè)獨(dú)立的窗口同時(shí)進(jìn)行賣(mài)票;
定義一個(gè)全局變量,每當(dāng)一個(gè)窗口賣(mài)出一張票,就對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行減減操作。
故寫(xiě)出如下代碼:
#include <iostream> #include <thread> #include <list> using namespace std; int tickets = 100; // 車(chē)站剩余票數(shù)總數(shù) void sellTickets(int win) { while (tickets > 0) { { if (tickets > 0) { cout << "窗口:" << win << " 賣(mài)出了第:" << tickets << "張票!" << endl; tickets--; } std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(400)); } } } int main() { list<std::thread> tlist; for (int i = 1; i <= 3; ++i) { tlist.push_back(std::thread(sellTickets, i)); } for (std::thread& t : tlist) { t.join(); } cout << "所有窗口賣(mài)票結(jié)束!" << endl; return 0; }
運(yùn)行結(jié)果如下:
通過(guò)運(yùn)行,我們可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:
對(duì)于一張票來(lái)說(shuō),賣(mài)出去了多次!
這不白嫖嗎???這合適嗎?
原因也很簡(jiǎn)單,對(duì)于線(xiàn)程來(lái)說(shuō),誰(shuí)先執(zhí)行,誰(shuí)后執(zhí)行,完全是根據(jù)CPU的調(diào)度,根本不可能掌握清楚。
所以,這個(gè)代碼是線(xiàn)程不安全
的!
那,怎么解決呢?
當(dāng)然是:互斥鎖了!
加鎖后的結(jié)果
我們對(duì)上述代碼做出如下修改:
#include <iostream> #include <thread> #include <list> #include <mutex> using namespace std; int tickets = 100; std::mutex mtx; void sellTickets(int win) { while (tickets > 0) { { lock_guard<std::mutex> lock(mtx); if (tickets > 0) { cout << "窗口:" << win << " 賣(mài)出了第:" << tickets << "張票!" << endl; tickets--; } std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(400)); } } } int main() { list<std::thread> tlist; for (int i = 1; i <= 3; ++i) { tlist.push_back(std::thread(sellTickets, i)); } for (std::thread& t : tlist) { t.join(); } cout << "所有窗口賣(mài)票結(jié)束!" << endl; return 0; }
首先定義了一個(gè)全局的互斥鎖std::mutex mtx
;接著在對(duì)票數(shù)tickets
進(jìn)行減減操作時(shí),定義了lock_guard
,這個(gè)就相當(dāng)于智能指針scoped_ptr
一樣,可以出了作用域自動(dòng)釋放鎖資源。
運(yùn)行結(jié)果如下:
我們可以看到這一次,就沒(méi)問(wèn)題了。
簡(jiǎn)單總結(jié)
互斥鎖的使用可以有三種:
(首先都需要在全局定義互斥鎖std::mutex mtx
)
- 首先可以直接在需要加鎖和解鎖的地方,手動(dòng)進(jìn)行:加鎖
mtx.lock()
、解鎖mtx.unlock()
; - 可以在需要加鎖的地方定義保護(hù)鎖:
lock_guard<std::mutex> lock(mtx)
,這個(gè)鎖在定義的時(shí)候自動(dòng)上鎖,出了作用域自動(dòng)解鎖。(其實(shí)就是借助了智能指針
的思想,定義對(duì)象出調(diào)用構(gòu)造函數(shù)底層調(diào)用lock()
,出了作用域調(diào)用析構(gòu)函數(shù)底層調(diào)用unlock()
); - 可以在需要加鎖的地方定義唯一鎖:
unique_lock<std::mutex> lock(mtx)
,這個(gè)鎖和保護(hù)鎖類(lèi)似,但是比保護(hù)鎖更加好用。(可以類(lèi)比智能指針中的scoped_ptr
和unique_ptr
的區(qū)別,二者都是將拷貝構(gòu)造和賦值重載函數(shù)刪除了,但是unique_ptr
和unique_lock
都定義了帶有右值引用的拷貝構(gòu)造和賦值)
條件變量(conditon_variable)
如果說(shuō),互斥鎖
是為了解決線(xiàn)程間互斥
的問(wèn)題,那么,條件變量就是為了解決線(xiàn)程間通信
的問(wèn)題。
同樣的,我們可以首先來(lái)看一個(gè)問(wèn)題(模型):
生產(chǎn)者消費(fèi)者線(xiàn)程模型
生產(chǎn)者消費(fèi)者線(xiàn)程模型是一個(gè)很經(jīng)典的線(xiàn)程模型;
首先會(huì)有兩個(gè)線(xiàn)程,一個(gè)是生產(chǎn)者,一個(gè)是消費(fèi)者,生產(chǎn)者只負(fù)責(zé)生產(chǎn)資源,消費(fèi)者只負(fù)責(zé)消費(fèi)資源。
產(chǎn)生問(wèn)題
根據(jù)上述互斥鎖的理解,我們可以寫(xiě)出如下代碼:
#include <iostream> #include <thread> #include <mutex> #include <queue> using namespace std; std::mutex mtx; class Queue { public: void put(int num) { lock_guard<std::mutex> lock(mtx); que.push(num); cout << "生產(chǎn)者,生產(chǎn)了:" << num << "號(hào)產(chǎn)品" << endl; } void get() { lock_guard<std::mutex> lock(mtx); int val = que.front(); que.pop(); cout << "消費(fèi)者,消費(fèi)了:" << val << "號(hào)產(chǎn)品" << endl; } private: queue<int> que; }; void producer(Queue* que) { for (int i = 0; i < 10; ++i) { que->put(i); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200)); } } void consumer(Queue* que) { for (int i = 0; i < 10; ++i) { que->get(); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200)); } } int main() { Queue que; std::thread t1(producer, &que); std::thread t2(consumer, &que); t1.join(); t2.join(); return 0; }
同樣的,我們定義了兩個(gè)線(xiàn)程:t1
、t2
分別作為生產(chǎn)者
和消費(fèi)者
,并且定義了兩個(gè)線(xiàn)程函數(shù)
:producer
和consumer
,這兩個(gè)函數(shù)接受一個(gè)Queue*
的參數(shù),并且通過(guò)這個(gè)指針調(diào)用put
和get
方法,這兩個(gè)方法就是往資源隊(duì)列里面執(zhí)行入隊(duì)和出隊(duì)操作。
運(yùn)行結(jié)果如下:
我們會(huì)發(fā)現(xiàn),出錯(cuò)了。
多運(yùn)行幾次試試:
我們發(fā)現(xiàn),每次運(yùn)行的結(jié)果還都不一樣,但是都會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的問(wèn)題。
仔細(xì)來(lái)看這個(gè)錯(cuò)誤原因:
我們?cè)傧胂脒@個(gè)代碼的邏輯:
一個(gè)生產(chǎn)者只負(fù)責(zé)生產(chǎn);
一個(gè)消費(fèi)者只負(fù)責(zé)消費(fèi);
他們共同在隊(duì)列里面存取資源;
存取資源操作本身是互斥的。
發(fā)現(xiàn)問(wèn)題了嗎?
這兩個(gè)線(xiàn)程之間彼此的操作獨(dú)立,換句話(huà)說(shuō),
沒(méi)有通信!
生產(chǎn)者生產(chǎn)的時(shí)候,消費(fèi)者不知道;
消費(fèi)者消費(fèi)的時(shí)候,生產(chǎn)者也不知道;
但是消費(fèi)者是要從隊(duì)列里面取資源
的,如果某一個(gè)時(shí)刻,隊(duì)列里為空了,它就不能取了!
解決問(wèn)題
分析完問(wèn)題之后,我們知道了:
問(wèn)題出在:沒(méi)有通信上面。
那么如何解決通信
問(wèn)題呢?
當(dāng)然就是:條件變量
了!
我們做出如下代碼的修改:
#include <iostream> #include <thread> #include <mutex> #include <queue> #include <condition_variable> using namespace std; std::mutex mtx; // 互斥鎖,用于線(xiàn)程間互斥 std::condition_variable cv;// 條件變量,用于線(xiàn)程間通信 class Queue { public: void put(int num) { unique_lock<std::mutex> lck(mtx); while (!que.empty()) { cv.wait(lck); } que.push(num); cv.notify_all(); cout << "生產(chǎn)者,生產(chǎn)了:" << num << "號(hào)產(chǎn)品" << endl; } void get() { unique_lock<std::mutex> lck(mtx); while (que.empty()) { cv.wait(lck); } int val = que.front(); que.pop(); cv.notify_all(); cout << "消費(fèi)者,消費(fèi)了:" << val << "號(hào)產(chǎn)品" << endl; } private: queue<int> que; }; void producer(Queue* que) { for (int i = 0; i < 10; ++i) { que->put(i); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200)); } } void consumer(Queue* que) { for (int i = 0; i < 10; ++i) { que->get(); std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200)); } } int main() { Queue que; std::thread t1(producer, &que); std::thread t2(consumer, &que); t1.join(); t2.join(); return 0; }
這個(gè)時(shí)候我們?cè)賮?lái)看運(yùn)行結(jié)果:
這個(gè)時(shí)候就是:
生產(chǎn)一個(gè)、消費(fèi)一個(gè)。
原子類(lèi)型(atomic)
我們前面遇到線(xiàn)程不安全的問(wèn)題,主要是因?yàn)樯婕?code>++、--
操作的時(shí)候,有可能被其他的線(xiàn)程干擾,所以使用了互斥鎖
。
只允許得到鎖
的線(xiàn)程進(jìn)行操作;
其他沒(méi)有得到鎖
的線(xiàn)程只能眼巴巴的干看著。
但是,對(duì)于互斥鎖來(lái)說(shuō),它是比較重的,它對(duì)于臨界區(qū)代碼做的事情比較復(fù)雜。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),如果只是為了++
、--
這樣的簡(jiǎn)單操作互斥的話(huà),使用互斥鎖,就有點(diǎn)殺雞用牛刀的意味了。
那么有沒(méi)有比互斥鎖
更加輕量的,并且能夠解決問(wèn)題的呢?
當(dāng)然有,就是我們要說(shuō)的原子類(lèi)型
。
簡(jiǎn)單使用
我們可以簡(jiǎn)單設(shè)置一個(gè)場(chǎng)景:
定義十個(gè)線(xiàn)程,對(duì)一個(gè)公有的變量myCount
進(jìn)行task
的操作,該操作是對(duì)變量進(jìn)行100次的++
。
所以,如果順利,我們會(huì)最終得到myCount = 1000
。
代碼如下:
#include <iostream> #include <thread> #include <atomic> #include <list> volatile std::atomic_bool isReady = false; volatile std::atomic_int myCount = 0; void task() { while (!isReady) { // 線(xiàn)程讓出當(dāng)前的CPU時(shí)間片,等待下一次調(diào)度 std::this_thread::yield(); } for (int i = 0; i < 100; ++i) { myCount++; } } int main() { std::list<std::thread> tlist; for (int i = 0; i < 10; ++i) { tlist.push_back(std::thread(task)); } std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200)); isReady = true; for (std::thread& it : tlist) { it.join(); } std::cout << "myCount:" << myCount << std::endl; return 0; }
運(yùn)行結(jié)果如下:
改良車(chē)站賣(mài)票
對(duì)于原子類(lèi)型來(lái)說(shuō),使用方法非常簡(jiǎn)單:
首先包含頭文件:#include <atomic>
;
接著把需要原子操作的變量定義為對(duì)應(yīng)的原子類(lèi)型就好:
bool
-> atomic_bool
;
int
-> atomic_int
;
其他同理。
理解了這個(gè)以后,我們可以使用原子類(lèi)型對(duì)我們的車(chē)站賣(mài)票進(jìn)行改良:
#include <iostream> #include <thread> #include <list> #include <mutex> #include <atomic> using namespace std; std::atomic_int tickets = 100; // 車(chē)站剩余票數(shù)總數(shù) void sellTickets(int win) { while (tickets > 0) { tickets--; cout << "窗口:" << win << " 賣(mài)出了第:" << tickets << "張票!" << endl; } } int main() { list<std::thread> tlist; for (int i = 1; i <= 3; ++i) { tlist.push_back(std::thread(sellTickets, i)); } for (std::thread& t : tlist) { t.join(); } cout << "所有窗口賣(mài)票結(jié)束!" << endl; return 0; }
可以看到,從代碼長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)就輕量
了很多!
運(yùn)行結(jié)果如下:
雖然還有部分打印亂序的情況:
(畢竟線(xiàn)程的執(zhí)行順序誰(shuí)也摸不清 😦 )
但是,代碼的邏輯沒(méi)有問(wèn)題!
不會(huì)出現(xiàn)一張票被賣(mài)了多次的情況!
這個(gè)原子類(lèi)型也被叫做:無(wú)鎖類(lèi)型,像是一些無(wú)鎖隊(duì)列
之類(lèi)的實(shí)現(xiàn),就是靠的這個(gè)東西。
以上就是C++線(xiàn)程間的互斥和通信的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于C++線(xiàn)程間通信的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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