C++11多线程之条件变量

news2024/12/27 13:37:15

文章目录

  • 一、关于多线程的同步
  • 二、初始条件变量
  • 三、关于条件变量的例题
  • 四、生产者消费者模型

一、关于多线程的同步

//函数被调用，分配相应的栈帧，进行现场保护

void func(char c)
{
	char filename[20] = {};
	sprintf(filename, "test%c.txt",c);
	FILE *fp=fopen(filename, "w");
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		for (int j = 0; j < 10; ++j)
		{
			fprintf(fp,"%c ",c);
		}
		fprintf(fp,"\n");
	}
	fprintf(fp,"\n");
}

int main()
{
	thread tha(func, 'A');
	thread thb(func, 'B');
	thread thc(func, 'C');
	thread thd(func, 'D');
	thread the(func, 'E');

	tha.join();
	thb.join();
	thc.join();
	thd.join();
	the.join();
}

打印结果，每个文件里面分别打印出ABCDE
在这里插入图片描述

二、初始条件变量

关于条件变量的API函数
在这里插入图片描述


std::mutex m_cv;
std::condition_variable cv;
std::string mydata;
bool ready = false;
bool processed = false;

void worker_thread()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(m_cv);  //构造函数，获得锁，块作用域结束后，调用析构函数，释放锁

	while (!ready)
	{
		cv.wait(lock);  //1.解锁 2.放在条件变量等待队列中 3.唤醒条件变量，放入互斥锁等待队列中 4.互斥锁到就绪状态，再次获得锁
	}
	mydata+= "处理数据完成";
	cout << mydata << endl;
	processed = true;
	//lock.unlock();
	cv.notify_one();
}

int main()
{
	std::thread tha(worker_thread);
	mydata += "data";  //块作用域
	{
		std::unique_lock<std::mutex>lock(m_cv);
		ready = true;
		cout << "main() signale data ready for processing" << endl;
	}
	cv.notify_one();
	{
		std::unique_lock<std::mutex>lock(m_cv);
		while (!processed)
		{
			cv.wait(lock);
		}
	}
	cout << "back int main() , data" << endl;
	tha.join();
	return 0;
}

在这个程序里面两个主线程和子线程同时运行，看谁先获得锁，如果子线程先获得锁，则进入wait状态，在wait状态里面有四个步骤

  • 释放锁
  • 将数据放入条件变量等待对列中
  • 唤醒条件变量，加入到互斥锁队列
  • 互斥锁到就绪状态，再次获得锁

当wait状态执行到第二步时候，此时主线程获得锁，主线程向下执行，将tag的值变为true，此时再次到子线程，此时子线程向下执行，wait执行三、四步骤后，再次调用唤醒函数，主线程执行后续步骤
在这里插入图片描述

三、关于条件变量的例题

例题一：ABC三个线程分别打印出来ABC

const int n = 10;
int tag = 1;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;

void funa()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		while (tag != 1)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		printf("funa :%c\n", 'A');
		tag = 2;
		cv.notify_one();
	}
}

void funb()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		while (tag != 2)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		printf("funb :%c\n", 'B');
		tag = 3;
		cv.notify_one();
	}
}

void func()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		while (tag != 3)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		printf("func :%c\n", 'C');
		tag = 1;
		cv.notify_one();
	}
}

int main()
{
	std::thread tha(funa);
	std::thread thb(funb);
	std::thread thc(func);

	tha.join();
	thb.join();
	thc.join();
}

运行结果：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

例题二：ABC三个线程分别打印出100之内所有数

const int n = 100;
int i = 0;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;

void funa()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
	while (i <= n)
	{
		while (i%3!=0&&i<=n)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		if (i > 100)return;
		printf("funa:%d\n", i);
		i += 1;
		cv.notify_all();
	}
}
void funb()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
	while (i <= n)
	{
		while (i%3!= 1&&i<=n)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		if (i > 100)return;
		printf("funb:%d\n", i);
		i += 1;
		cv.notify_all();
	}

}
void func()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
	while (i <= n)
	{
		while (i%3 != 2&&i<=n)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		if (i > 100)return;
		printf("func:%d\n", i);
		i += 1;
		cv.notify_all();
	}
}

int main()
{
	thread tha(funa);
	thread thb(funb);
	thread thc(func);

	tha.join();
	thb.join();
	thc.join();
}

在这里插入图片描述
例题三：A线程打印偶数，B线程打印奇数

const int n = 100;
int i = 0;
bool tag = true;  //false 奇数
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;


void funa()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
	for (; i <=n; )
	{
		/*while (i % 2 != 0 && i <= n)
		{
			cv.wait(lock);
		}*/
		cv.wait(lock, [&]()->bool {return !(i % 2 != 0 && i <= n); }); //先判断lamanda表达式是否为真，如果为真，则直接退出
		if (i <=n)
		{
			printf("funa: %d\n", i);
		}
		i += 1;
		cv.notify_one();
	}
}
void funb()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
	for (; i <= n; )
	{
		while (i % 2 == 0 && i <= n)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		if (i <= n)
		{
			printf("funb: %d\n", i);
		}
		i += 1;
		cv.notify_one();
	}
}

int main()
{
	thread tha(funa);
	thread thb(funb);

	tha.join();
	thb.join();
}

在这里插入图片描述

四、生产者消费者模型

//生产者消费者模型
const int n = 100;
int i = 0;
int mydata;
bool ready = false;
std::mutex mtx;  
bool stop = true;  //拓展，消费者不管生产者生产了多少数据，消费者始终进行消费
std::condition_variable cv;

void Produce()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
	for (int i=0; i <=n;++i)
	{
		while (ready)
		{
			cv.wait(lock);
		}
	
		mydata = i;
		printf("生产者生产数据：%d\n", mydata);
		ready = true;
		cv.notify_all();
	}
	stop = false;
	printf("生产者结束\n");
}

void Consumer1()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);
		
	while(stop)
	{
		while (!ready)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		printf("消费者一消费数据：%d\n", mydata);
		ready = false;
		cv.notify_all();
	}
}

void Consumer2()
{
	std::unique_lock<std::mutex>lock(mtx);

	while (stop)
	{
		while (!ready)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		printf("消费者二消费数据：%d\n", mydata);
		ready = false;
		cv.notify_all();
	}
}

int main()
{
	thread tha(Produce);
	thread thb(Consumer1);
	thread thc(Consumer2);

	tha.join();
	thb.join();
	thc.join();
	return 0;
}

使用队列解决生产者消费者模型

//队列实现生产者和消费者
const int n = 100;
class MyQueue
{
private:
	std::deque<int>qu;
	std::mutex m_cv;
	std::condition_variable cv;
	std::size_t MaxElem = 8;
public:
	MyQueue(){}
	~MyQueue(){}
	MyQueue(const MyQueue&) = delete; //C++11新特性
	MyQueue& operator=(const MyQueue&) = delete;
	void put(int val)
	{
		std::unique_lock<std::mutex>lock(m_cv);
		while (qu.size() >= MaxElem)
		{
			cv.wait(lock);

		}
		qu.push_back(val);
		printf("Produce data:%d\n", val);
		cv.notify_one(); //唤醒
	}
	int get()
	{
		std::unique_lock<std::mutex>lock(m_cv);
		while (qu.empty())
		{
			cv.wait(lock);
		}
		int val = qu.front();
		qu.pop_front();
		cv.notify_all();
		return val;
	}
};
void Produre(MyQueue& qu)
{
	for (int i = 1; i <= n; ++i)
	{
		qu.put(i);
	}
}
void Consumer(MyQueue& qu)
{
	for (int i = 1; i <= n; ++i)
	{
		int x = qu.get();
		cout << "Consumer: " << x << endl;
	}
}
int main()
{
	MyQueue mqu;
	std:: thread tha(Produre,std::ref(mqu));
	std::thread thb(Consumer,std::ref(mqu));

	tha.join();
	thb.join();
}

出现死锁的情况

//死锁，解决死锁的方式，同时获取锁，同时释放锁
std::mutex mx1;
std::mutex mx2;
void funa()
{
	cout << "funa begin..." << endl;
	std::unique_lock<std::mutex>lock1(mx1);
	cout << "funa 拿到mx1" << endl;
	cout << "wait 拿到mx2" << endl;
	std::unique_lock<std::mutex>lock2(mx2);
	cout << "funa end..." << endl;
}
void funb()
{
	cout << "funb begin..." << endl;
	std::unique_lock<std::mutex>lock2(mx2);
	cout << "funb 拿到mx2" << endl;
	cout << "wait 拿到mx1" << endl;
	std::unique_lock<std::mutex>lock1(mx1);
	cout << "funb end..." << endl;
}
int main()
{
	std::thread tha(funa);
	std::thread thb(funb);

	tha.join();
	thb.join();
}

运行结果：
在这里插入图片描述
原因分析：并不是一运行就会出现这种情况，当出现图片中的这种情况的时候，原因是当两个互斥锁同时运行时，锁一被占用后，还没有释放锁的时候，锁二就继续占用锁一，出现了相互引用的情况，导致了死锁的出现。
解决死锁的办法
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
重写此程序：

std::mutex mx1;
std::mutex mx2;
void funa()
{
	cout << "funa begin..." << endl;
	std::unique_lock<std::mutex>lock1(mx1,std::defer_lock); //不获得互斥锁的所有权
	std::unique_lock<std::mutex>lock2(mx2, std::defer_lock);
	std::lock(lock1, lock2);  //将锁同时锁住，在将锁同时释放
	cout << "funa 拿到mx1" << endl;
	cout << "wait 拿到mx2" << endl;
	cout << "funa end..." << endl;
}
void funb()
{
	cout << "funb begin..." << endl;
	std::unique_lock<std::mutex>lock2(mx2, std::defer_lock);
	std::unique_lock<std::mutex>lock1(mx1, std::defer_lock);
	std::lock(lock2, lock1);
	cout << "funb 拿到mx2" << endl;
	cout << "wait 拿到mx1" << endl;
	cout << "funb end..." << endl;
}
int main()
{
	std::thread tha(funa);
	std::thread thb(funb);

	tha.join();
	thb.

在这里插入图片描述
关于银行转账死锁的问题
甲向乙进行转账的同时，乙向甲进行转账

#include <mutex>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <set>
#include <unordered_set>
using namespace std;
mutex mx;
condition_variable cv;

class Count
{
public:
 Count(int m) : money(m) {}
 ~Count() = default;
 bool operator<(const Count& src)const { return money < src.money; }
 int getMoney() { return money; }
 void setMoney(int m) { money = m; }
private:
 int money;
};

class Account
{
private:
 Account() = default;
 Account(const Account & src) = delete;
 Account& operator=(const Account & src) = delete;
 set<Count*> s;
public:
 ~Account() = default;
 static Account* getInstance()
 {
  static Account a;
  return &a;
 }
 void apply(Count& A, Count& B)
 {
  unique_lock<mutex> lc(mx); //申请账户 先上锁
  while (s.count(&A) > 0 || s.count(&B) > 0)
  {
   cv.wait(lc); //阻塞等待
  }
  s.insert(&A);
  s.insert(&B);
 }
 void free(Count& A, Count& B)
 {
  unique_lock<mutex> lc(mx);
  s.erase(&A);
  s.erase(&B);
  cv.notify_all();
 }

};

void thread_func1(Count& A, Count& B, int money) //A---> B转账money元
{
 Account* acc = Account::getInstance();
 acc->apply(A, B);

 if (A.getMoney() >= money)
 {
  A.setMoney(A.getMoney() - money);
  B.setMoney(B.getMoney() + money);
  cout << "successful:" << endl;
  cout << money << endl;
 }
 else
 {
  cout << "余额不足" << endl;
 }
 acc->free(A, B);
}

int main()
{
 Count A(1000);
 Count B(1000);
 thread s1(thread_func1, ref(A), ref(B), 300); //A----->B 300
 thread s2(thread_func1, ref(B), ref(A), 100); //B----->A 100
 s1.join();
 s2.join();
 cout << A.getMoney() << endl;
 cout << B.getMoney() << endl;
 system("pause");
 return 0;
}

用户态到内核态怎么切换
http://t.csdn.cn/H7PAH
两个线程怎么切换
http://t.csdn.cn/O0oFb
死锁产生的原因和解决办法
http://t.csdn.cn/1AK4y

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