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我的第一本C++書

游歷C++世界的地圖

C++小品:她來聽我的演唱會——C++11中的隨機數、線程(thread)、互斥(mutex)和條件變量(condition)

源文來自: http://imcc.blogbus.com/logs/172675220.html
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在新頒布的C++新標準C++11中,最令人激動人心的,我想不是auto關鍵字,也不是Lambda表達式,而是其中的對并行計算的支持——新的線程庫(thread)的加入。

多核心CPU的普及應用,C++的主要應用領域,服務器程序,高性能計算等等,都對并行計算提出了新的要求,而這次C++中全新添加的線程庫,就是 對這一趨勢的應對。現在,C++程序員可以輕松地編寫多線程的程序,而無需借助系統API或者是第三方程序庫的支持。線程庫的加入給C++帶來的變化,無 異于 194,翻身的程序員們把歌唱。

C++11中的線程庫,很大程度上直接來自boost這塊C++的試驗田,其基本架構和組件都完全相同,如果你是一個boost線程庫的使用者,那 么在C++11中,你會感覺到是回到了老家一樣,到處都是熟人。而如果你是一個完全的新手,也不要緊,C++11中的線程庫非常簡單,任何人都可以輕松上 手,我就是這樣,但是要深究,還得好好學習。

下面是一個簡單的例子,用到了線程庫中的線程(thread),互斥(mutex),條件變量(condition),來模擬一個演唱會的入場檢票的場景,另外,為了模擬觀眾,用到了C++11中的新的隨機數的產生,模擬一個正態分布的訪客人群。不說了,還是看代碼:

#include <iostream>
#include <queue>
#include <vector>
// 隨機數
#include <random>
// 這里,我使用了boost實現的線程庫,如果你的編譯器已經支持C++11,則使用<thread>是一樣的
#include <boost\thread.hpp>
#include <boost\thread\locks.hpp>
#include <boost\thread\condition.hpp>

using namespace std;
using namespace boost;

// 共享資源和互斥對象
mutex mtx;
bool finish = false;? // 表示觀眾到來是否結束

// 觀眾,主要是為了表示檢票過程中的檢票耗費時間
class viewer
{
public:
??? void check()
??? {
??? ??? // 線程等待
??????? posix_time::milliseconds worktime(400);?
??? ??? this_thread::sleep(worktime);???
??? }
??? void arrival(int t)
??? {
??? ??? posix_time::seconds arrtime(t);?
??? ??? this_thread::sleep(arrtime);???
??? }
};
// 檢票口
// 它有一個隊列,用于保存到來的觀眾,并且用一個線程來處理隊列中的觀眾
class gate
{
??? typedef boost::mutex::scoped_lock scoped_lock;
public:
??? gate():count(0),no(0){};
??? // 啟動線程
??? void start(int n)
??? {
??? ??? no = n;
??? ??? t = thread(&gate::check,this);
??? }

??? // 檢票
??? void check()
??? {
??? ??? // 無限循環,知道觀眾數為0且不會有新的觀眾到來
??? ??? while(true)
??? ??? {
??? ??? ??? viewer v;
??? ??? ??? {
??? ??? ??? ??? // 鎖定互斥對象,開始訪問對列
??? ??? ??? ??? scoped_lock lock(m);
??? ??? ??? ??? if(0==vque.size())? // 如果隊列為空
??? ??? ??? ??? {
??? ??? ??? ??? ??? {
??? ??? ??? ??? ??? // 判斷是否還會有新的觀眾到來,也即是表示到達的線程是否結束
??????????????????? scoped_lock finlk(mtx);
??? ??? ??? ??? ??? if(finish)
??? ??? ??? ??? ??? ??? return; // 如果已經結束,檢票也同樣結束
??? ??? ??? ??? ??? }
??? ??? ??? ??? ??? // 如果觀眾數為0,則等待新的觀眾的到來
??????????????????? while(0 == vque.size())
??? ??? ??? ??? ??? {???
??? ??? ??? ??? ??? ????? // 這里的wait()是條件變量的關鍵,它會先是否lock所鎖定的互斥對象m一定時間,
????????????????????????? // 然后再次鎖定,接著進行(0==vque.size())的判斷。如此往復,知道size不等于0,
????????????????????????? // 循環條件無法滿足而結束循環,這里表達的條件就是,只有size!=0,也就是隊列中有
????????????????????????? // 觀眾才繼續向下。
????????????????????????? cond.wait(lock);
??? ??? ??? ??? ??? }
??? ??? ??? ??? }
??? ??? ??? ??? // 從對列中獲得觀眾,對其進行檢票
??? ??? ??? ??? v = vque.front();
??? ??? ??? ??? vque.pop();
??? ??? ??? ??? cond.notify_one(); // 這里是通知添加觀眾的進程,表示隊列已經有空位置了,可以添加新的觀眾
??? ??? ??? }
??? ??? ??? v.check();
??? ??? ??? ++count;
??? ??? }
??? }
??? // 將觀眾添加到隊列
??? void add(viewer v)
??? {

??? ??? // 同樣運用條件變量,判斷隊列是否已經滿了
??????? // 只有在隊列尚未滿的情況下才向下繼續
??????? scoped_lock lock(m);
??? ??? while(vque.size() >= 15 )
??? ??? {
??? ??? ??? cond.wait(lock);
??? ??? }
??? ??? vque.push(v); // 將觀眾添加到隊列
??? ??? cond.notify_one();? // 通知檢票進程,新的觀眾進入隊列,這樣在size=0時等待的條件可以更新
??? }
??? int getcount()
??? {
??? ??? return count;
??? }
??? int getno()
??? {
??? ??? return no;
??? }
??? // 等待線程執行完畢返回
??? void join()
??? {
??? ??? t.join();
??? }
private:
??? thread t;
??? mutex m;
??? condition cond;
??? queue<viewer> vque;
??? int count;
??? int no;
};

// 一共有10個檢票口
vector<gate> vgates(10);

// 用隨機數模擬觀眾到達
void arrival()
{???
??? default_random_engine re{}; // 產生一個均值為31的正態分布的隨機數
??? normal_distribution<double> nd(31,8);

??? // 將隨機數引擎和分布綁定一個函數對象
??? auto norm = std::bind(nd, re);
??? // 保存隨機數的容器
??? vector<int> mn(64);
???
??? // 產生隨機數
??? for(int i = 0;i<700;++i)
??? ??? ++mn[round(norm())];
???
??? int secs = 100;
??? // 產生0到9的隨機數,表示觀眾隨機地到達某一個檢票口
??? uniform_int_distribution<int>? index{0,9};
??? ?
??? // 進入檢票口隊列
??? for(auto i:mn)
??? {
??? ??? cout<<i<<endl;
??? ??? for(auto vi = 1; vi <= i; ++vi)
??? ??? {
??? ??? ??? // 將觀眾添加到某個gate的隊列中
???????????? (vgates[index(re)]).add(viewer());
??? ??? ??? // 等待一段時間
??? ??? ??? int t = round(secs/(float)(i+1));
??? ??? ??? this_thread::sleep(
??? ??? ??? posix_time::milliseconds(t));
??? ??? }
??? }
??? // 觀眾已經全部到達,進入隊列
???? cout<<"finish"<<endl;
??? mtx.lock();
??? finish = true;
??? mtx.unlock();
??? //cout<<"unlock"<<endl;
}

int main()
{
??? int i = 1;
??? // 啟動檢票線程
??? for(gate& g:vgates)
??? {
??? ??? g.start(i);
??? ??? ++i;
??? }
??? // 啟動到達線程,看看,在C++11中新線程的創建就這么簡單
??? thread arr = thread(arrival);
??? // 等待線程結束
??? arr.join();
??? int total = 0;
??? // 等待檢票線程結束,并輸出處理的人數
??? for(gate& g:vgates)
??? {
??? ??? g.join();
??? ??? total += g.getcount();
??? ??? cout<<"gate "<<g.getno()
??? ??? ??? <<" processed "<<g.getcount()<<" viewers."<<endl;
??? }
??? cout<<"there are "<<total<<"viewers in total."<<endl;
??? return 0;
}
這就是一個線程庫的簡單應用,模擬了非常復雜的場景。

因為自己對多線程開發還不太熟悉,這個程序在某些特定條件下會產生了死鎖,還有待進一步完善

posted on 2011-11-12 10:29 陳良喬——《我的第一本C++書》 閱讀(3486) 評論(3)  編輯 收藏 引用

Feedback

# re: C++小品:她來聽我的演唱會——C++11中的隨機數、線程(thread)、互斥(mutex)和條件變量(condition) 2011-11-13 17:16 一念天堂

我是很久沒用 boost thread 了,但是 scoped lock 能跟 condition variable 一起用么?  回復  更多評論   

# re: C++小品:她來聽我的演唱會——C++11中的隨機數、線程(thread)、互斥(mutex)和條件變量(condition) 2012-08-15 10:18 walfud

請問你是在什么平臺下編譯并運行的? 我在 fedora 17 上 thread 會報異常, 說 Operation not permitted.
windows g++ 4.6 下找不到 std::thread...  回復  更多評論   

# re: C++小品:她來聽我的演唱會——C++11中的隨機數、線程(thread)、互斥(mutex)和條件變量(condition) 2012-08-15 10:19 walfud

@walfud
哦, 我錯了, 我以為你是用的 C++11 thread 呢.  回復  更多評論   


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