Linux下设计并发队列

设计并发队列

#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;
}

上述代码是有效的。但是，请考虑这样的情况：您有一个很长的队列（可能包含超过 100,000 个元素），而且在代码执行期间的某个时候，从队列中读取数据的线程远远多于添加数据的线程。因为添加和取出数据操作使用相同的互斥锁，所以读取数据的速度会影响写数据的线程访问锁。那么，使用两个锁怎么样？一个锁用于读取操作，另一个用于写操作。给出修改后的 Queue 类。

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;
}

设计并发阻塞队列

目前，如果读线程试图从没有数据的队列读取数据，仅仅会抛出异常并继续执行。但是，这种做法不总是我们想要的，读线程很可能希望等待（即阻塞自身），直到有数据可用时为止。这种队列称为阻塞的队列。如何让读线程在发现队列是空的之后等待？一种做法是定期轮询队列。但是，因为这种做法不保证队列中有数据可用，它可能会导致浪费大量 CPU 周期。推荐的方法是使用条件变量，即 pthread_cond_t 类型的变量。

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);
}

并发阻塞队列设计有两个要注意的方面：

1.可以不使用 pthread_cond_broadcast，而是使用 pthread_cond_signal。但是，pthread_cond_signal 会释放至少一个等待条件变量的线程，这个线程不一定是等待时间最长的读线程。尽管使用 pthread_cond_signal 不会损害阻塞队列的功能，但是这可能会导致某些读线程的等待时间过长。

2.可能会出现虚假的线程唤醒。因此，在唤醒读线程之后，要确认列表非空，然后再继续处理。强烈建议使用基于 while 循环的 pop()。

设计有超时限制的并发阻塞队列

在许多系统中，如果无法在特定的时间段内处理新数据，就根本不处理数据了。例如，新闻频道的自动收报机显示来自金融交易所的实时股票行情，它每 n 秒收到一次新数据。如果在 n 秒内无法处理以前的一些数据，就应该丢弃这些数据并显示最新的信息。根据这个概念，我们来看看如何给并发队列的添加和取出操作增加超时限制。这意味着，如果系统无法在指定的时间限制内执行添加和取出操作，就应该根本不执行操作。

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";
}

设计有大小限制的并发阻塞队列

最后，讨论有大小限制的并发阻塞队列。这种队列与并发阻塞队列相似，但是对队列的大小有限制。在许多内存有限的嵌入式系统中，确实需要有大小限制的队列。
对于阻塞队列，只有读线程需要在队列中没有数据时等待。对于有大小限制的阻塞队列，如果队列满了，写线程也需要等待。

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;
}

要注意的第一点是，这个阻塞队列有两个条件变量而不是一个。如果队列满了，写线程等待 _wcond 条件变量；读线程在从队列中取出数据之后需要通知所有线程。同样，如果队列是空的，读线程等待 _rcond 变量，写线程在把数据插入队列中之后向所有线程发送广播消息。如果在发送广播通知时没有线程在等待 _wcond 或 _rcond，会发生什么？什么也不会发生；系统会忽略这些消息。还要注意，两个条件变量使用相同的互斥锁。

来源《用于并行计算的多线程数据结构》
http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-multithreaded_structures1/index.html
http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-multithreaded_structures2/index.html