linux中編寫並發隊列類

來源:互聯網
上載者:User

 這篇文章主要介紹了linux中編寫並發隊列類,功能有:並發阻塞隊列、有逾時限制、有大小限制

設計並發隊列 代碼如下:#include <pthread.h>#include <list>using namespace std; template <typename T>class Queue { public:     Queue( )     {         pthread_mutex_init(&_lock, NULL);     }     ~Queue( )     {         pthread_mutex_destroy(&_lock);    }     void push(const T& data);    T pop( ); private:     list<T> _list;     pthread_mutex_t _lock;}; template <typename T>void Queue<T>::push(const T& value ) {     pthread_mutex_lock(&_lock);    _list.push_back(value);    pthread_mutex_unlock(&_lock);} template <typename T>T Queue<T>::pop( ) {     if (_list.empty( ))     {         throw "element not found";    }    pthread_mutex_lock(&_lock);     T _temp = _list.front( );    _list.pop_front( );    pthread_mutex_unlock(&_lock);    return _temp;}   上述代碼是有效。但是,請考慮這樣的情況:您有一個很長的隊列(可能包含超過 100,000 個元素),而且在代碼執行期間的某個時候,從隊列中讀取資料的線程遠遠多於添加資料的線程。因為添加和取出資料操作使用相同的互斥鎖,所以讀取資料的速度會影響寫資料的線程訪問鎖。那麼,使用兩個鎖怎麼樣?一個鎖用於讀取操作,另一個用於寫操作。給出修改後的 Queue 類。 代碼如下:template <typename T>class Queue { public:     Queue( )     {         pthread_mutex_init(&_rlock, NULL);         pthread_mutex_init(&_wlock, NULL);    }     ~Queue( )     {         pthread_mutex_destroy(&_rlock);        pthread_mutex_destroy(&_wlock);    }     void push(const T& data);    T pop( ); private:     list<T> _list;     pthread_mutex_t _rlock, _wlock;};  template <typename T>void Queue<T>::push(const T& value ) {     pthread_mutex_lock(&_wlock);    _list.push_back(value);    pthread_mutex_unlock(&_wlock);} template <typename T>T Queue<T>::pop( ) {     if (_list.empty( ))     {         throw "element not found";    }    pthread_mutex_lock(&_rlock);    T _temp = _list.front( );    _list.pop_front( );    pthread_mutex_unlock(&_rlock);    return _temp;}   設計並發阻塞隊列 目前,如果讀線程試圖從沒有資料的隊列讀取資料,僅僅會拋出異常並繼續執行。但是,這種做法不總是我們想要的,讀線程很可能希望等待(即阻塞自身),直到有資料可用時為止。這種隊列稱為阻塞的隊列。如何讓讀線程在發現隊列是空的之後等待?一種做法是定期輪詢隊列。但是,因為這種做法不保證隊列中有資料可用,它可能會導致浪費大量 CPU 週期。推薦的方法是使用條件變數,即 pthread_cond_t 類型的變數。  代碼如下:template <typename T>class BlockingQueue { public:     BlockingQueue ( )     {         pthread_mutexattr_init(&_attr);         // set lock recursive        pthread_mutexattr_settype(&_attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP);         pthread_mutex_init(&_lock,&_attr);        pthread_cond_init(&_cond, NULL);    }     ~BlockingQueue ( )     {         pthread_mutex_destroy(&_lock);        pthread_cond_destroy(&_cond);    }     void push(const T& data);    bool push(const T& data, const int seconds); //time-out push    T pop( );    T pop(const int seconds); // time-out pop private:     list<T> _list;     pthread_mutex_t _lock;    pthread_mutexattr_t _attr;    pthread_cond_t _cond;}; template <typename T>T BlockingQueue<T>::pop( ) {     pthread_mutex_lock(&_lock);    while (_list.empty( ))     {         pthread_cond_wait(&_cond, &_lock) ;    }    T _temp = _list.front( );    _list.pop_front( );    pthread_mutex_unlock(&_lock);    return _temp;} template <typename T>void BlockingQueue <T>::push(const T& value ) {     pthread_mutex_lock(&_lock);    const bool was_empty = _list.empty( );    _list.push_back(value);    pthread_mutex_unlock(&_lock);    if (was_empty)         pthread_cond_broadcast(&_cond);}   並發阻塞隊列設計有兩個要注意的方面: 1.可以不使用 pthread_cond_broadcast,而是使用 pthread_cond_signal。但是,pthread_cond_signal 會釋放至少一個等待條件變數的線程,這個線程不一定是等待時間最長的讀線程。儘管使用 pthread_cond_signal 不會損害阻塞隊列的功能,但是這可能會導致某些讀線程的等待時間過長。 2.可能會出現虛假的線程喚醒。因此,在喚醒讀線程之後,要確認列表非空,然後再繼續處理。強烈建議使用基於 while 迴圈的 pop()。 設計有逾時限制的並發阻塞隊列 在許多系統中,如果無法在特定的時間段內處理新資料,就根本不處理資料了。例如,新聞頻道的自動收報機顯示來自金融證券交易所的即時股票行情,它每 n 秒收到一次新資料。如果在 n 秒內無法處理以前的一些資料,就應該丟棄這些資料並顯示最新的資訊。根據這個概念,我們來看看如何給並發隊列的添加和取出操作增加逾時限制。這意味著,如果系統無法在指定的時間限制內執行添加和取出操作,就應該根本不執行操作。  代碼如下:template <typename T>bool BlockingQueue <T>::push(const T& data, const int seconds) {    struct timespec ts1, ts2;    const bool was_empty = _list.empty( );    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts1);    pthread_mutex_lock(&_lock);    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts2);    if ((ts2.tv_sec – ts1.tv_sec) <seconds)     {        was_empty = _list.empty( );        _list.push_back(value);    }    pthread_mutex_unlock(&_lock);    if (was_empty)         pthread_cond_broadcast(&_cond);} template <typename T>T BlockingQueue <T>::pop(const int seconds) {     struct timespec ts1, ts2;     clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts1);     pthread_mutex_lock(&_lock);    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts2);     // First Check: if time out when get the _lock     if ((ts1.tv_sec – ts2.tv_sec) < seconds)     {         ts2.tv_sec += seconds; // specify wake up time        while(_list.empty( ) && (result == 0))         {             result = pthread_cond_timedwait(&_cond, &_lock, &ts2) ;        }        if (result == 0) // Second Check: if time out when timedwait          {            T _temp = _list.front( );            _list.pop_front( );            pthread_mutex_unlock(&_lock);            return _temp;        }    }    pthread_mutex_unlock(&lock);    throw "timeout happened";}   設計有大小限制的並發阻塞隊列 最後,討論有大小限制的並發阻塞隊列。這種隊列與並發阻塞隊列相似,但是對隊列的大小有限制。在許多記憶體有限的嵌入式系統中,確實需要有大小限制的隊列。對於阻塞隊列,只有讀線程需要在隊列中沒有資料時等待。對於有大小限制的阻塞隊列,如果隊列滿了,寫線程也需要等待。  代碼如下:template <typename T>class BoundedBlockingQueue { public:     BoundedBlockingQueue (int size) : maxSize(size)     {         pthread_mutex_init(&_lock, NULL);         pthread_cond_init(&_rcond, NULL);        pthread_cond_init(&_wcond, NULL);        _array.reserve(maxSize);    }     ~BoundedBlockingQueue ( )     {         pthread_mutex_destroy(&_lock);        pthread_cond_destroy(&_rcond);        pthread_cond_destroy(&_wcond);    }     void push(const T& data);    T pop( ); private:     vector<T> _array; // or T* _array if you so prefer    int maxSize;    pthread_mutex_t _lock;    pthread_cond_t _rcond, _wcond;}; template <typename T>void BoundedBlockingQueue <T>::push(const T& value ) {     pthread_mutex_lock(&_lock);    const bool was_empty = _array.empty( );    while (_array.size( ) == maxSize)     {         pthread_cond_wait(&_wcond, &_lock);    }     _array.push_back(value);    pthread_mutex_unlock(&_lock);    if (was_empty)         pthread_cond_broadcast(&_rcond);} template <typename T>T BoundedBlockingQueue<T>::pop( ) {     pthread_mutex_lock(&_lock);    const bool was_full = (_array.size( ) == maxSize);    while(_array.empty( ))     {         pthread_cond_wait(&_rcond, &_lock) ;    }    T _temp = _array.front( );    _array.erase( _array.begin( ));    pthread_mutex_unlock(&_lock);    if (was_full)        pthread_cond_broadcast(&_wcond);    return _temp;}   要注意的第一點是,這個阻塞隊列有兩個條件變數而不是一個。如果隊列滿了,寫線程等待 _wcond 條件變數;讀線程在從隊列中取出資料之後需要通知所有線程。同樣,如果隊列是空的,讀線程等待 _rcond 變數,寫線程在把資料插入隊列中之後向所有線程發送廣播訊息。如果在發送廣播通知時沒有線程在等待 _wcond 或 _rcond,會發生什嗎?什麼也不會發生;系統會忽略這些訊息。還要注意,兩個條件變數使用相同的互斥鎖。 
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