C++多线程学习09:并发队列

news2024/11/24 10:39:15

参考

链接:恋恋风辰官方博客

并发队列&线程安全栈

代码结构:

并发队列ThreadSafeQueue.h:

#pragma once

#include <mutex>
#include <queue>

template<typename T>
class threadsafe_queue
{
private:

	mutable std::mutex mut;
	std::queue<T> data_queue;
	std::condition_variable data_cond;

public:
	threadsafe_queue(){}

	void push(T new_value)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
		data_queue.push(std::move(new_value));
		data_cond.notify_one();    //⇽-- - ①
	}

	void wait_and_pop(T& value)    //⇽-- - ②
	{
		std::unique_lock<std::mutex> lk(mut);
		data_cond.wait(lk, [this] {return !data_queue.empty(); });
		value = std::move(data_queue.front());
		data_queue.pop();
	}

	std::shared_ptr<T> wait_and_pop()   // ⇽-- - ③
	{
		std::unique_lock<std::mutex> lk(mut);
		data_cond.wait(lk, [this] {return !data_queue.empty(); });   // ⇽-- - ④
		std::shared_ptr<T> res(
			std::make_shared<T>(std::move(data_queue.front())));
		data_queue.pop();
		return res;
	}

	bool try_pop(T& value)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
		if (data_queue.empty())
			return false;
		value = std::move(data_queue.front());
		data_queue.pop();
		return true;
	}

	std::shared_ptr<T> try_pop()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
		if (data_queue.empty())
			return std::shared_ptr<T>();    //⇽-- - ⑤
		std::shared_ptr<T> res(
			std::make_shared<T>(std::move(data_queue.front())));
		data_queue.pop();
		return res;
	}

	bool empty() const
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
		return data_queue.empty();
	}
};

template<typename T>
class threadsafe_queue_ptr
{
private:
	mutable std::mutex mut;
	std::queue<std::shared_ptr<T>> data_queue;
	std::condition_variable data_cond;
public:
	threadsafe_queue_ptr()
	{}
	void wait_and_pop(T& value)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> lk(mut);
		data_cond.wait(lk, [this] {return !data_queue.empty(); });
		value = std::move(*data_queue.front());    //⇽-- - ①
		data_queue.pop();
	}
	bool try_pop(T& value)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
		if (data_queue.empty())
			return false;
		value = std::move(*data_queue.front());   // ⇽-- - ②
		data_queue.pop();
		return true;
	}
	std::shared_ptr<T> wait_and_pop()
	{
		std::unique_lock<std::mutex> lk(mut);
		data_cond.wait(lk, [this] {return !data_queue.empty(); });
		std::shared_ptr<T> res = data_queue.front();   // ⇽-- - ③
		data_queue.pop();
		return res;
	}
	std::shared_ptr<T> try_pop()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
		if (data_queue.empty())
			return std::shared_ptr<T>();
		std::shared_ptr<T> res = data_queue.front();   // ⇽-- - ④
		data_queue.pop();
		return res;
	}
	void push(T new_value)
	{
		std::shared_ptr<T> data(
			std::make_shared<T>(std::move(new_value)));   // ⇽-- - ⑤
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
		data_queue.push(data);
		data_cond.notify_one();
	}
	bool empty() const
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);
		return data_queue.empty();
	}
};

template<typename T>
class threadsafe_queue_ht
{
private:
	struct node
	{
		std::shared_ptr<T> data;
		std::unique_ptr<node> next;
	};

	std::mutex head_mutex;
	std::unique_ptr<node> head;
	std::mutex tail_mutex;
	node* tail;
	std::condition_variable data_cond;

	node* get_tail()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> tail_lock(tail_mutex);
		return tail;
	}
	std::unique_ptr<node> pop_head()
	{
		std::unique_ptr<node> old_head = std::move(head);
		head = std::move(old_head->next);
		return old_head;
	}

	std::unique_lock<std::mutex> wait_for_data()
	{
		std::unique_lock<std::mutex> head_lock(head_mutex);
		data_cond.wait(head_lock, [&] {return head.get() != get_tail(); });
		return std::move(head_lock);
	}

	std::unique_ptr<node> wait_pop_head()
	{
		std::unique_lock<std::mutex> head_lock(wait_for_data());
		return pop_head();
	}

	std::unique_ptr<node> wait_pop_head(T& value)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> head_lock(wait_for_data());
		value = std::move(*head->data);
		return pop_head();
	}

	std::unique_ptr<node> try_pop_head()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> head_lock(head_mutex);
		if (head.get() == get_tail())
		{
			return std::unique_ptr<node>();
		}
		return pop_head();
	}

	std::unique_ptr<node> try_pop_head(T& value)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> head_lock(head_mutex);
		if (head.get() == get_tail())
		{
			return std::unique_ptr<node>();
		}
		value = std::move(*head->data);
		return pop_head();
	}

public:
	threadsafe_queue_ht() :  // ⇽-- - 1
		head(new node), tail(head.get()){}

	threadsafe_queue_ht(const threadsafe_queue_ht& other) = delete;
	threadsafe_queue_ht& operator=(const threadsafe_queue_ht& other) = delete;

	std::shared_ptr<T> wait_and_pop() //  <------3
	{
		std::unique_ptr<node> const old_head = wait_pop_head();
		return old_head->data;
	}

	void wait_and_pop(T& value)  //  <------4
	{
		std::unique_ptr<node> const old_head = wait_pop_head(value);
	}

	std::shared_ptr<T> try_pop()
	{
		std::unique_ptr<node> old_head = try_pop_head();
		return old_head ? old_head->data : std::shared_ptr<T>();
	}

	bool try_pop(T& value)
	{
		std::unique_ptr<node> const old_head = try_pop_head(value);
		if (old_head) {
			return true;
		}
		return false;
	}
	bool empty()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> head_lock(head_mutex);
		return (head.get() == get_tail());
	}

	void push(T new_value) //<------2
	{
		std::shared_ptr<T> new_data(
			std::make_shared<T>(std::move(new_value)));

		std::unique_ptr<node> p(new node);
		{
			std::lock_guard<std::mutex> tail_lock(tail_mutex);
			tail->data = new_data;
			node* const new_tail = p.get();
			tail->next = std::move(p);
			tail = new_tail;
		}

		data_cond.notify_one();
	}
};

线程安全栈ThreadSafeStack.h : 

#pragma once

#include <exception>
#include <mutex>
#include <stack>
#include <condition_variable>

struct empty_stack : std::exception
{
    const char* what() const throw();
};

template<typename T>
class threadsafe_stack
{
private:
    std::stack<T> data;
    mutable std::mutex m;
public:
    threadsafe_stack() {}

    threadsafe_stack(const threadsafe_stack& other)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(other.m);
        data = other.data;
    }

    threadsafe_stack& operator=(const threadsafe_stack&) = delete;

    void push(T new_value)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        data.push(std::move(new_value));    // ⇽-- - ①
    }

    std::shared_ptr<T> pop()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        if (data.empty()) throw empty_stack();  //  ⇽-- - ②
        std::shared_ptr<T> const res(
            std::make_shared<T>(std::move(data.top())));   // ⇽-- - ③
        data.pop();   // ⇽-- - ④
        return res;
    }

    void pop(T& value)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        if (data.empty()) throw empty_stack();
        value = std::move(data.top());   // ⇽-- - ⑤
        data.pop();   // ⇽-- - ⑥
    }

    bool empty() const
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        return data.empty();
    }
};


template<typename  T>
class threadsafe_stack_waitable
{
private:
    std::stack<T> data;
    mutable std::mutex m;
    std::condition_variable cv;
public:
    threadsafe_stack_waitable() {}

    threadsafe_stack_waitable(const threadsafe_stack_waitable& other)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(other.m);
        data = other.data;
    }

    threadsafe_stack_waitable& operator=(const threadsafe_stack_waitable&) = delete;

    void push(T new_value)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        data.push(std::move(new_value));    // ⇽-- - ①
        cv.notify_one();
    }

    std::shared_ptr<T> wait_and_pop()
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
        cv.wait(lock, [this]()   //  ⇽-- - ②
            {
                if (data.empty())
                {
                    return false;
                }
                return true;
            });


        std::shared_ptr<T> const res(
            std::make_shared<T>(std::move(data.top())));   // ⇽-- - ③
        data.pop();   // ⇽-- - ④
        return res;
    }

    void wait_and_pop(T& value)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
        cv.wait(lock, [this]()
            {
                if (data.empty())
                {
                    return false;
                }
                return true;
            });

        value = std::move(data.top());   // ⇽-- - ⑤
        data.pop();   // ⇽-- - ⑥
    }

    bool empty() const
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        return data.empty();
    }

    bool try_pop(T& value)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        if (data.empty())
        {
            return false;
        }

        value = std::move(data.top());
        data.pop();
        return true;
    }

    std::shared_ptr<T> try_pop()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        if (data.empty())
        {
            return std::shared_ptr<T>();
        }

        std::shared_ptr<T> res(std::make_shared<T>(std::move(data.top())));
        data.pop();
        return res;
    }
};

实现一个测试类TestClass.h :

#pragma once

#include<iostream>

class TestClass
{
public:
	TestClass(int data) :_data(data) {}
	TestClass(const TestClass& mc) :_data(mc._data) {}
	TestClass(TestClass&& mc) :_data(mc._data){}

	friend std::ostream& operator << (std::ostream& os, const TestClass& mc)
	{
		os << mc._data;
		return os;
	}

private:
	int _data;
};

主函数负责测试代码:

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include "ThreadSafeQueue.h"
#include "ThreadSafeStack.h"
#include "TestClass.h"

std::mutex mtx_cout;
void PrintTestClass(std::string consumer, std::shared_ptr<TestClass> data)
{
	std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_cout);
	std::cout << consumer << " pop data success , data is " << (*data) << std::endl;
}

void TestThreadSafeStack()
{
	threadsafe_stack_waitable<TestClass> stack;

	std::thread consumer1(
		[&]()
		{
			for (;;)
			{
				std::shared_ptr<TestClass> data = stack.wait_and_pop();
				PrintTestClass("consumer1", data);
			}
		}
	);

	std::thread consumer2([&]()
		{
			for (;;)
			{
				std::shared_ptr<TestClass> data = stack.wait_and_pop();
				PrintTestClass("consumer2", data);
			}
		});

	std::thread producer([&]()
		{
			for (int i = 0; i < 100; i++)
			{
				TestClass mc(i);
				stack.push(std::move(mc));
			}
		});

	consumer1.join();
	consumer2.join();
	producer.join();
}

void TestThreadSafeQue()
{
	threadsafe_queue_ptr<TestClass> safe_que;
	std::thread consumer1(
		[&]()
		{
			for (;;)
			{
				std::shared_ptr<TestClass> data = safe_que.wait_and_pop();
				PrintTestClass("consumer1", data);
			}
		}
	);

	std::thread consumer2([&]()
		{
			for (;;)
			{
				std::shared_ptr<TestClass> data = safe_que.wait_and_pop();
				PrintTestClass("consumer2", data);
			}
		});

	std::thread producer([&]()
		{
			for (int i = 0; i < 100; i++)
			{
				TestClass mc(i);
				safe_que.push(std::move(mc));
			}
		});

	consumer1.join();
	consumer2.join();
	producer.join();
}


void TestThreadSafeQueHt()
{
	threadsafe_queue_ht<TestClass> safe_que;
	std::thread consumer1(
		[&]()
		{
			for (;;)
			{
				std::shared_ptr<TestClass> data = safe_que.wait_and_pop();
				PrintTestClass("consumer1", data);
			}
		}
	);

	std::thread consumer2([&]()
		{
			for (;;)
			{
				std::shared_ptr<TestClass> data = safe_que.wait_and_pop();
				PrintTestClass("consumer2", data);
			}
		});

	std::thread producer([&]()
		{
			for (int i = 0; i < 100; i++)
			{
				TestClass mc(i);
				safe_que.push(std::move(mc));
			}
		});

	consumer1.join();
	consumer2.join();
	producer.join();
}

int main()
{
	/* 1. 测试线程安全栈 */
	TestThreadSafeStack();

	/* 2. 测试线程安全队列1 */
	TestThreadSafeQue();

	/* 3. 测试线程安全队列2 */
	TestThreadSafeQueHt();

    std::cout << "Finished! \n";
}

生产中直接应用即可。

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