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作者:CppExplore  網址:http://www.shnenglu.com/CppExplore/
為了后面寫的《網絡模型(二)》,多寫一篇關于線程的。線程使用涉及的主要數據結構以及應用框架可以參考http://www.shnenglu.com/CppExplore/archive/2008/01/15/41175.html。本文的主要目的是給出linux下實用的線程消息隊列實現。
一、linux上線程相關的操作有下面幾種:
(1)pthread_t類型的創建、屬性創建設置等。
這類具體可以:man pthread_creat; man pthread_attr_init;man pthread_detach;man pthread_join;等查看
(2)pthread_mutex_t類型的操作。
這類具體可以: man pthread_mutex_init可以看到所有相關的操作。
(3)pthread_cond_t類型的操作。同樣:man pthread_cond_init。pthread_cond_t的wait和signal操作一定要和pthread_mutex_t的lock、unlock配合使用。類似于此:

pthread_mutex_t mux=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond
=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

//wait操作:
pthread_mutex_lock(&mux);
pthread_cond_wait(
&cond,&mux);//睡眠前將內部會執行pthread_mutex_unlock,醒來時內部會執行pthread_mutex_lock
pthread_mutex_unlock(&mux);

//signal操作
pthread_mutex_lock(&mux);
pthread_cond_signal(
&cond);
pthread_mutex_unlock(
&mux);

(4)sem_t類型的操作。同樣:man sem_init 這個系列一般是用不到的,太重量級了,也是最強大的一種。

二、linux2.6內核的線程庫。2.6內核的默認安裝的是redhat公司的NPTL(原生posix線程庫),以前內核安裝的是LinuxThreads庫,兩者的簡單介紹可以看http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-threading.html。不過對于應用者,分析兩者的區別和優劣也沒什么大意義。這里特別提下NPTL的futex機制。借助該機制,pthread_mutex的性能大大提高,只要不進入競爭態,進程就不會陷入內核態。這點可以自己寫示例程序,通過strace -c 跟蹤進程的系統調用得以證實,另外還可以證實總是進入內核態的操作有pthread_cond_signal和sem_post。

三、實用的線程消息隊列實現。下面設計一個具有線程消息隊列的線程封裝類。通過上面的分析,我們可以有如下結論:
(1)減少pthread_cond_signal和sem_post的調用,只在有必要的時候調用;
(2)盡量避免pthread_mutex進入競爭態。增大消息隊列的大小,可以有效減少競態條件的出現。

下面給出一個實用的線程消息隊列的實現類,這個類也將是以后《網絡模型》文章中用到的線程消息隊列類,代碼注釋請看對私有屬性的注釋:

class CThreadQueue
{

public:
    CThreadQueue(
int queueSize=1024):
        sizeQueue(queueSize),lput(
0),lget(0),nFullThread(0),nEmptyThread(0),nData(0)
    
{
        pthread_mutex_init(
&mux,0);
        pthread_cond_init(
&condGet,0);
        pthread_cond_init(
&condPut,0);
        buffer
=new (void *)[sizeQueue];
    }

    virtual 
~CThreadQueue()
    
{
        delete[] buffer;
    }

    
void * getq()
    
{
        
void *data;
        pthread_mutex_lock(
&mux);
        
while(lget==lput&&nData==0)//此處循環判斷的原因如下:假設2個線程在getq阻塞,然后兩者都被激活,而其中一個線程運行比較塊,快速消耗了2個數據,另一個線程醒來的時候已經沒有新數據可以消耗了。另一點,man pthread_cond_wait可以看到,該函數可以被信號中斷返回,此時返回EINTR。為避免以上任何一點,都必須醒來后再次判斷睡眠條件。更正:pthread_cond_wait是信號安全的系統調用,不會被信號中斷。
        {
            nEmptyThread
++;
            pthread_cond_wait(
&condGet,&mux);
            nEmptyThread
--;     
        }

            
        data
=buffer[lget++];
        nData
--;
        
if(lget==sizeQueue)
        
{
            lget
=0;
        }

        
if(nFullThread) //必要時才進行signal操作,勿總是signal
        {
            pthread_cond_signal(
&condPut);    
        }

        pthread_mutex_unlock(
&mux);
        
return data;
    }

    
void putq(void *data)
    
{
        pthread_mutex_lock(
&mux);
        
while(lput==lget&&nData)
        

            nFullThread
++;
            pthread_cond_wait(
&condPut,&mux);
            nFullThread
--;
        }

        buffer[lput
++]=data;
        nData
++;
        
if(lput==sizeQueue)
        
{
            lput
=0;
        }

        
if(nEmptyThread)
        
{
            pthread_cond_signal(
&condGet);
        }

        pthread_mutex_unlock(
&mux);
    }

private:
    pthread_mutex_t mux;
    pthread_cond_t condGet;
    pthread_cond_t condPut;

    
void * * buffer;    //循環消息隊列
    int sizeQueue;        //隊列大小
    int lput;        //location put  放數據的指針偏移
    int lget;        //location get  取數據的指針偏移
    int nFullThread;    //隊列滿,阻塞在putq處的線程數
    int nEmptyThread;    //隊列空,阻塞在getq處的線程數
    int nData;        //隊列中的消息個數,主要用來判斷隊列空還是滿
}
;

 

下面給出這個線程消息隊列的一個使用舉例:

#include <pthread.h>
#include 
<stdio.h>
#include 
<unistd.h>
#include 
<stdlib.h>
CThreadQueue queue;//使用的時候給出稍大的CThreadQueue初始化參數,可以減少進入內核態的操作。

void * produce(void * arg)
{
    
int i=0;
    pthread_detach(pthread_self());
    
while(i++<100)
    
{
        queue.putq((
void *)i);
    }

}

void *consume(void *arg)
{
    
int data;
    
while(1)
    
{
        data
=(int)(queue.getq());
        printf(
"data=%d\n",data)
    }

}

int main()
{    pthread_t pid;
    
int i=0;

    
while(i++<3)
        pthread_create(
&pid,0,produce,0);
    i
=0;
    
while(i++<3)
        pthread_create(
&pid,0,consume,0);
    sleep(
300);
}

posted on 2008-03-20 14:33 cppexplore 閱讀(8051) 評論(12)  編輯 收藏 引用

評論

# re: 【原創】系統設計之 線程(二) 2008-04-10 11:56 true
CThreadQueue寫得簡單明了,實用性強,另外
1.getq,putq有timeout的重載函數就更使用了,ace里面就是這么搞得,否則服務程序退出就是個問題,或者其它退出方式?
2.在析構函數里面應該destroy分配的mutex,conditon,呵呵,瑕不掩瑜。
3.你這系列的文章很使用,強烈支持寫下去!  回復  更多評論
  

# re: 【原創】系統設計之 線程(二)[未登錄] 2008-04-10 13:42 cppexplore
多謝提醒,2的問題還真是遺漏了,1的問題的確也應該考慮,呵呵

  回復  更多評論
  

# re: 【原創】技術系列之 線程(二) 2008-10-23 13:10 cui
寫得不錯..提醒一下..
pthread_cond_wait 不會被信號中斷的.
man pthread_cond_wait:
These functions shall not return an error code of [EINTR]  回復  更多評論
  

# re: 【原創】技術系列之 線程(二)[未登錄] 2008-10-23 13:43 cppexplore
@cui
多謝。最近看到了,這個是信號安全的系統調用。  回復  更多評論
  

# re: 【原創】技術系列之 線程(二) 2009-01-09 00:23 ssharry
pthread_mutex_lock(&mux);
while(lget==lput&&nData==0)//此處循環判斷的原因如下:假設2個線程在getq阻塞,然后兩者都被激活,而其中一個線程運行比較塊,快速消耗了2個數據,另一個線程醒來的時候已經沒有新數據可以消耗了。另一點,man pthread_cond_wait可以看到,該函數可以被信號中斷返回,此時返回EINTR。為避免以上任何一點,都必須醒來后再次判斷睡眠條件。更正:pthread_cond_wait是信號安全的系統調用,不會被信號中斷。


請教一下,本類中,何時會出現2個線程同時被激活的情況?  回復  更多評論
  

# re: 【原創】技術系列之 線程(二)[未登錄] 2009-01-09 09:23 cppexplore
@ssharry
其它線程快速調用putq兩次,如果有2個線程在getq處阻塞,就會被同時激活,而完全有可能,其中一個被激活的線程獲取到了cpu,快速處理了2個消息。  回復  更多評論
  

# re: 【原創】技術系列之 線程(二) 2009-01-09 20:30
兄弟,很有借鑒意義啊,而且很簡單實用,收下了~~
  回復  更多評論
  

# re: 【原創】技術系列之 線程(二) 2009-08-31 10:48 shiqyn
buffer=new (void *)[sizeQueue]; 這個有錯,應該寫成 buffer=new void *[sizeQueue];  回復  更多評論
  

# re: 【原創】技術系列之 線程(二) 2009-08-31 10:48 shiqyn
buffer=new (void *)[sizeQueue];
應該寫成 buffer=new void *[sizeQueue];  回復  更多評論
  

# re: 【原創】技術系列之 線程(二) 2009-10-29 13:16 laohu
盡量避免pthread_mutex進入競爭態。增大消息隊列的大小,可以有效減少競態條件的出現。
????????????????????????????????????/
互斥變量的競爭和隊列長度有什么相關?
無論隊列長短,凡是要操作隊列的動作,都必須獲取互斥鎖啊。
比如,consumer線程都在工作,producer就要不斷寫隊列最后把隊列給寫滿了,這時候隊列長點能夠多緩沖數據。
條件變量的特點就是沒有wait的情況下signal會被丟棄,比如consumer一直忙,producer的signal就會被丟棄的,但是沒有關系,只有在隊列空情況下producer才需要cond wait,有數據情況下根本不需要wait直接操作即可(mutex保證了互斥)。
信號量的每次操作都不會被丟棄,相對系統代價應該比cond高了一些的。  回復  更多評論
  

# re: 【原創】技術系列之 線程(二)[未登錄] 2009-10-30 08:51 cppexplore
@laohu
"盡量避免pthread_mutex進入競爭態。增大消息隊列的大小,可以有效減少競態條件的出現。 "

前一個句號:減少有人拿到了互斥鎖的時候,再有人申請,此時后來者將陷入內核等待。

后一個句號:增大消息隊列長度,可以減少pthread_cond_signal的調用頻率,該調用總是陷入內核。

“互斥變量的競爭和隊列長度有什么相關? ”,沒啥關系,上面中間是句號, 你當成逗號了吧,呵呵。
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# re: 【原創】技術系列之 線程(二) 2012-07-04 22:16 奔跑的兔子
認真研究了你寫的這一個系列,寫的非常好,衷心感謝!  回復  更多評論
  

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