利用C++如何实现一个阻塞队列详解

阻塞队列是多线程中常用的数据结构,对于实现多线程之间的数据交换、同步等有很大作用。

阻塞队列常用于生产者和消费者的场景,生产者是向队列里添加元素的线程,消费者是从队列里取元素的线程。简而言之,阻塞队列是生产者用来存放元素、消费者获取元素的容器。

考虑下,这样一个多线程模型,程序有一个主线程 master 和一些 worker 线程,master 线程负责接收到数据,给 worker 线程分配数据,worker 线程取得一个任务后便可以开始工作,如果没有任务便阻塞住,节约 cpu 资源。

  • master 线程  (生产者):负责往阻塞队列中塞入数据,并唤醒正在阻塞的 worker 线程。
  • workder 线程(消费者):负责从阻塞队列中取数据,如果没有数据便阻塞,直到被 master 线程唤醒。

那么怎样的数据结构比较适合做这样的唤醒呢?显而易见,是条件变量,在 c++ 11 中,stl 已经引入了线程支持库。

C++11 中条件变量

条件变量一般与一个 互斥量 同时使用,使用时需要先给互斥量上锁,然后条件变量会检测是否满足条件,如果不满足条件便会暂时释放锁,然后阻塞线程。

c++ 11使用方法主要如下:

#include <mutex>
#include <condition_value>
// 互斥量与条件变量
std::mutex m_mutex;
std::condition_value m_condition;

// 请求信号的一方
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
while(xxx)
{
 // 这里会先释放 lock,
 // 如果有信号唤醒的话,会重新加锁。
 m_condition.wait(lock);
}

// 发送消息进行同步的一方
{
 std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
 // 唤醒其他正在 wait 的线程
 m_condition.notify_all();
}

用 C++11 实现阻塞队列

我们使用条件变量包装 STL 中的 queue 就可以实现阻塞队列功能,如果有兴趣,甚至可以自己实现一个效率更高的队列数据结构。

我们先假设一下阻塞队列需要如下接口:

  • push 将一个变量塞入队列;
  • take 从队列中取出一个元素;
  • size 查看队列有多少个元素;
template <typename T>
class BlockingQueue
{
public:
 BlockingQueue();
 void push(T&& value);
 T take();
 size_t size() const;
 
private:
 // 实际使用的数据结构队列
 std::queue<T> m_data;

 // 条件变量
 std::mutex m_mutex;
 std::condition_variable m_condition;
};

push 一个变量时,我们需要先加锁,加锁成功后才可以压入变量,这是为了线程安全。压入变量后,就可以发送信号通知正在阻塞的条件变量。

 void push(T&& value)
 {
  // 往队列中塞数据前要先加锁
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
  m_data.push(value);
  // 唤醒正在阻塞的条件变量
  m_condition.notify_all();
 }

take 一个变量时,就要有些不一样:

  1. 先加锁,加锁成功后,如果队列不为空,可以直接取数据,不需要 wait;
  2. 如果队列为空呢,则 wait 等待,直到被唤醒;
  3. 考虑特殊情况,唤醒后队列依然是空的……
 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;
 }

总结下,代码如下:

#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()
 {
 }

 // 禁止拷贝构造
 BlockingQueue(BlockingQueue&) = delete;

 ~BlockingQueue()
 {
 }

 void push(T&& value)
 {
  // 往队列中塞数据前要先加锁
  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:
 // 实际使用的数据结构队列
 std::queue<T> m_data;

 // 条件变量的锁
 std::mutex m_mutex;
 std::condition_variable m_condition;
};
#endif // BLOCKINGQUEUE_H

利用C++如何实现一个阻塞队列详解

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