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C++ Boost Lockfree超詳細(xì)講解使用方法

 更新時(shí)間：2022年11月20日 10:29:40   作者：無(wú)水先生  
Boost是為C++語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供擴(kuò)展的一些C++程序庫(kù)的總稱。Boost庫(kù)是一個(gè)可移植、提供源代碼的C++庫(kù)，作為標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的后備，是C++標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的開(kāi)發(fā)引擎之一，是為C++語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供擴(kuò)展的一些C++程序庫(kù)的總稱

Boost.Lockfree

一、說(shuō)明

Boost.Lockfree 提供線程安全和無(wú)鎖容器。可以從多個(gè)線程訪問(wèn)此庫(kù)中的容器，而無(wú)需同步訪問(wèn)。

在 1.56.0 版本中，Boost.Lockfree 只提供了兩個(gè)容器：boost::lockfree::queue 類型的隊(duì)列和 boost::lockfree::stack 類型的棧。對(duì)于隊(duì)列，可以使用第二個(gè)實(shí)現(xiàn)：boost::lockfree::spsc_queue。此類針對(duì)只有一個(gè)線程寫入隊(duì)列和只有一個(gè)線程從隊(duì)列讀取的用例進(jìn)行了優(yōu)化。類名中的縮寫 spsc 代表單一生產(chǎn)者/單一消費(fèi)者。

二、示例和代碼

示例 46.1。使用 boost::lockfree::spsc_queue

#include <boost/lockfree/spsc_queue.hpp>
#include <thread>
#include <iostream>
boost::lockfree::spsc_queue<int> q{100};
int sum = 0;
void produce()
{
  for (int i = 1; i <= 100; ++i)
    q.push(i);
}
void consume()
{
  int i;
  while (q.pop(i))
    sum += i;
}
int main()
{
  std::thread t1{produce};
  std::thread t2{consume};
  t1.join();
  t2.join();
  consume();
  std::cout << sum << '\n';
}

Example46.1

示例 46.1 使用容器 boost::lockfree::spsc_queue。第一個(gè)執(zhí)行函數(shù) produce() 的線程將數(shù)字 1 到 100 添加到容器中。第二個(gè)線程執(zhí)行 consume()，從容器中讀取數(shù)字并將它們相加。因?yàn)槿萜?boost::lockfree::spsc_queue 明確支持來(lái)自兩個(gè)線程的并發(fā)訪問(wèn)，所以不需要同步線程。

請(qǐng)注意，函數(shù) consume() 會(huì)在線程終止后被第二次調(diào)用。這需要計(jì)算所有 100 個(gè)數(shù)字的總數(shù)，即 5050。因?yàn)?consume() 在循環(huán)中訪問(wèn)隊(duì)列，它讀取數(shù)字的速度可能比 produce() 插入數(shù)字的速度快。如果隊(duì)列為空，pop() 返回 false。因此，執(zhí)行 consume() 的線程可能會(huì)終止，因?yàn)榱硪粋€(gè)線程中的 produce() 無(wú)法足夠快地填充隊(duì)列。如果執(zhí)行 produce() 的線程終止，那么很明顯所有數(shù)字都已添加到隊(duì)列中。第二次調(diào)用 consume() 確保將可能尚未讀取的數(shù)字添加到 sum 中。

隊(duì)列的大小被傳遞給構(gòu)造函數(shù)。因?yàn)?boost::lockfree::spsc_queue 是用循環(huán)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)的，所以示例 46.1 中的隊(duì)列容量為 100 個(gè)元素。如果由于隊(duì)列已滿而無(wú)法添加值，則 push() 返回 false。該示例不檢查 push() 的返回值，因?yàn)榍『糜?100 個(gè)數(shù)字被添加到隊(duì)列中。因此，100 個(gè)元素就足夠了。

示例 46.2。 boost::lockfree::spsc_queue 和 boost::lockfree::capacity

#include <boost/lockfree/spsc_queue.hpp>
#include <boost/lockfree/policies.hpp>
#include <thread>
#include <iostream>
using namespace boost::lockfree;
spsc_queue<int, capacity<100>> q;
int sum = 0;
void produce()
{
  for (int i = 1; i <= 100; ++i)
    q.push(i);
}
void consume()
{
  while (q.consume_one([](int i){ sum += i; }))
    ;
}
int main()
{
  std::thread t1{produce};
  std::thread t2{consume};
  t1.join();
  t2.join();
  q.consume_all([](int i){ sum += i; });
  std::cout << sum << '\n';
}

Example46.2

示例 46.2 與前面的示例類似，但這次循環(huán)緩沖區(qū)的大小是在編譯時(shí)設(shè)置的。這是通過(guò)模板 boost::lockfree::capacity 完成的，它需要容量作為模板參數(shù)。 q 是用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)實(shí)例化的——容量不能在運(yùn)行時(shí)設(shè)置。

函數(shù) consume() 已更改為使用 consume_one() 而不是 pop() 來(lái)讀取數(shù)字。 lambda 函數(shù)作為參數(shù)傳遞給 consume_one()。 consume_one() 就像 pop() 一樣讀取一個(gè)數(shù)字，但該數(shù)字不是通過(guò)對(duì)調(diào)用者的引用返回的。它作為唯一參數(shù)傳遞給 lambda 函數(shù)。

當(dāng)線程終止時(shí)，main() 調(diào)用成員函數(shù) consume_all()，而不是 consume()。 consume_all() 的工作方式與 consume_one() 類似，但要確保隊(duì)列在調(diào)用后為空。只要隊(duì)列中有元素，consume_all() 就會(huì)調(diào)用 lambda 函數(shù)。

示例 46.2 再次將 5050 寫入標(biāo)準(zhǔn)輸出。

示例 46.3。具有可變?nèi)萜鞔笮〉?boost::lockfree::queue

#include <boost/lockfree/queue.hpp>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <iostream>
boost::lockfree::queue<int> q{100};
std::atomic<int> sum{0};
void produce()
{
  for (int i = 1; i <= 10000; ++i)
    q.push(i);
}
void consume()
{
  int i;
  while (q.pop(i))
    sum += i;
}
int main()
{
  std::thread t1{produce};
  std::thread t2{consume};
  std::thread t3{consume};
  t1.join();
  t2.join();
  t3.join();
  consume();
  std::cout << sum << '\n';
}

Example46.3

示例 46.3 在兩個(gè)線程中執(zhí)行 consume()。因?yàn)橛卸鄠€(gè)線程從隊(duì)列中讀取，所以不得使用類 boost::lockfree::spsc_queue。此示例改為使用 boost::lockfree::queue。

多虧了 std::atomic，對(duì)變量 sum 的訪問(wèn)現(xiàn)在也是線程安全的。

隊(duì)列的大小設(shè)置為 100——這是傳遞給構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)。但是，這只是初始大小。默認(rèn)情況下，boost::lockfree::queue 不使用循環(huán)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)。如果添加到隊(duì)列中的項(xiàng)目多于設(shè)置的容量，則會(huì)自動(dòng)增加。如果初始大小不夠，boost::lockfree::queue 會(huì)動(dòng)態(tài)分配額外的內(nèi)存。

這意味著 boost::lockfree::queue 不一定是無(wú)鎖的。 boost::lockfree::queue 默認(rèn)使用的分配器是 boost::lockfree::allocator，它基于 std::allocator。因此，此分配器確定 boost::lockfree::queue 是否是無(wú)約束的無(wú)鎖。

#include <boost/lockfree/queue.hpp>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <iostream>
using namespace boost::lockfree;
queue<int, fixed_sized<true>> q{10000};
std::atomic<int> sum{0};
void produce()
{
  for (int i = 1; i <= 10000; ++i)
    q.push(i);
}
void consume()
{
  int i;
  while (q.pop(i))
    sum += i;
}
int main()
{
  std::thread t1{produce};
  std::thread t2{consume};
  std::thread t3{consume};
  t1.join();
  t2.join();
  t3.join();
  consume();
  std::cout << sum << '\n';
}

Example46.4

示例 46.3 在兩個(gè)線程中執(zhí)行 consume()。因?yàn)橛卸鄠€(gè)線程從隊(duì)列中讀取，所以不得使用類 boost::lockfree::spsc_queue。此示例改為使用 boost::lockfree::queue。

多虧了 std::atomic，對(duì)變量 sum 的訪問(wèn)現(xiàn)在也是線程安全的。

隊(duì)列的大小設(shè)置為 100——這是傳遞給構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)。但是，這只是初始大小。默認(rèn)情況下，boost::lockfree::queue 不使用循環(huán)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)。如果添加到隊(duì)列中的項(xiàng)目多于設(shè)置的容量，則會(huì)自動(dòng)增加。如果初始大小不夠，boost::lockfree::queue 會(huì)動(dòng)態(tài)分配額外的內(nèi)存。

這意味著 boost::lockfree::queue 不一定是無(wú)鎖的。 boost::lockfree::queue 默認(rèn)使用的分配器是 boost::lockfree::allocator，它基于 std::allocator。因此，此分配器確定 boost::lockfree::queue 是否是無(wú)約束的無(wú)鎖。

示例 46.4。具有恒定容器大小的 boost::lockfree::queue

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