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并发编程数据结构-栈

时间：2024-09-08 16:06:00浏览次数：9  
标签：std mtx lock 编程 pop 并发 other 数据结构 stack

并发编程数据结构-栈

有锁栈

Stack1 - 基础线程安全栈

Stack1 是一个简单的线程安全栈实现，使用了 std::mutex 来保证 push 和 pop 操作的原子性。主要特点包括：

  • 使用 std::lock_guard 确保操作期间栈的线程安全。
  • 提供了两种 push 操作（左值引用和右值引用），优化了性能。
  • pop 操作抛出自定义的 EmptyStackError 异常，以处理栈为空的情况。
  • 提供了 pop(T& v) 和 pop() 两种接口，方便用户选择直接传引用或返回 shared_ptr。
  • 问题：用户需要不断检查 empty() 并手动处理栈空的情况，这在多线程环境下并不高效。
template <typename T>
class Stack1
{
public:
    Stack1() = default;
    ~Stack1() = default;
    Stack1(const Stack1&) = delete;
    Stack1& operator=(const Stack1&) = delete;
    Stack1(Stack1&& other) noexcept{
        std::scoped_lock lock(_mtx, other._mtx);
        _stack = std::move(other._stack);
    }

    Stack1& operator=(Stack1&& other) noexcept
    {
        if(this != &other)
        {
            std::scoped_lock lock(_mtx, other._mtx);
            _stack = std::move(other._stack);
        }
        return *this;
    }


    void push(const T&v)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx);
        _stack.emplace(v);
    }

    void push(T &&v)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx);
        _stack.emplace(std::move(v));
    }

    void pop(T &v)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx);
        if(_stack.empty()) throw EmptyStackError();
        v = std::move(_stack.top());
        _stack.pop();
    }

    std::shared_ptr<T> pop()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx);
        if(_stack.empty()) throw EmptyStackError();
        auto res = std::make_shared<T>(std::move(_stack.top()));
        _stack.pop();
        return res;
    }

    bool empty() const
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx);
        return _stack.empty();
    }
private:
    std::stack<T> _stack;
    mutable std::mutex _mtx;
};

Stack2 - 引入条件变量的栈

Stack2 在 Stack1 的基础上，通过引入条件变量 std::condition_variable 改进了 pop 操作，使得线程在栈为空时可以阻塞等待，直到有数据入栈时才唤醒。

  • 使用 wait_pop 代替普通的 pop，在栈为空时阻塞线程，避免繁琐的轮询检查。
  • 每次 push 操作后，会通知阻塞的线程，解除等待状态。
  • 问题：在wait_pop中，如果在获得了cv的通知之后抛出异常，导致其他的线程无法获得该notify，因此全部阻塞。
template<typename T>
class Stack2
{
public:
    Stack2() = default;
    ~Stack2() = default;
    Stack2(const Stack2&) = delete;
    Stack2& operator=(const Stack2&) = delete;
    Stack2(Stack2&& other) noexcept
    {
        std::scoped_lock lock(_mtx, other._mtx);
        _stack = std::move(other._stack);
    }

    Stack2& operator=(Stack2&& other) noexcept
    {
        if(this != &other)
        {
            std::scoped_lock lock(_mtx, other._mtx);
            _stack = std::move(other._stack);
        }
        return *this;
    }

    void push(const T& v)   // 入栈，唤醒阻塞的线程
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mtx);
        _stack.emplace(v);
        _cv.notify_one();
    }

    void push(T&& v)   // 入栈，唤醒阻塞的线程
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mtx);
        _stack.emplace(std::move(v));
        _cv.notify_one();
    }

    void wait_pop(T& v)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mtx);
        _cv.wait(lock, [this]()->bool{return !_stack.empty();});
        v = std::move(_stack.top());
        _stack.pop();
    }

    std::shared_ptr<T> wait_pop()
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mtx);
        _cv.wait(lock, [this]()->bool{return !_stack.empty();});
        auto res = std::make_shared<T>(std::move(_stack.top()));  // 当此处抛出异常，由于本线程获得了cv的通知，导致其他的线程无法获得改notify，因此全部阻塞
        _stack.pop();
        return res;
    }

    void pop(T &v)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx);
        if(_stack.empty()) throw EmptyStackError();
        v = std::move(_stack.top());
        _stack.pop();
    }

    std::shared_ptr<T> pop()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx);
        if(_stack.empty()) throw EmptyStackError();
        auto res = std::make_shared<T>(std::move(_stack.top()));
        _stack.pop();
        return res;
    }

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

private:
    mutable std::mutex _mtx;
    std::condition_variable _cv;
    std::stack<T> _stack;
};

Stack3 - 内存提前分配的优化栈

Stack3 进一步优化了 Stack2 中的潜在问题，通过提前在 push 时进行内存分配，避免在 wait_pop 中由于内存分配失败而抛出异常。内部栈_stack中直接存储数据的shared_ptr而不是数据本身，这样在pop时避免了构造返回值shared_ptr抛出异常的问题。

将数据分配内存的时间提前到push的过程中，这样wait_pop就不会因为无法分配内存抛出异常了

template<typename T>
class Stack3
{
public:
    Stack3() = default;
    ~Stack3() = default;
    Stack3(const Stack3&) = delete;
    Stack3& operator=(const Stack3&) = delete;
    Stack3(Stack3&& other) noexcept
    {
        std::scoped_lock lock(_mtx, other._mtx);
        _stack = std::move(other._stack);
    }

    Stack3& operator=(Stack3&& other) noexcept
    {
        if(this != &other)
        {
            std::scoped_lock lock(_mtx, other._mtx);
            _stack = std::move(other._stack);
        }
        return *this;
    }
    
    void push(const T& v)   // 入栈，唤醒阻塞的线程
    {
        auto t = std::make_shared<T>(v);
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mtx);
        _stack.push(t);
        _cv.notify_one();
    }

    void push(T&& v)   // 入栈，唤醒阻塞的线程
    {
        auto t = std::make_shared<T>(std::move(v));
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mtx);
        _stack.push(t);
        _cv.notify_one();
    }

    void wait_pop(T& v)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mtx);
        _cv.wait(lock, [this]()->bool{return !_stack.empty();});
        v = std::move(*_stack.top());
        _stack.pop();
    }

    std::shared_ptr<T> wait_pop()
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(_mtx);
        _cv.wait(lock, [this]()->bool{return !_stack.empty();});
        auto res = _stack.top();  // 当此处抛出异常，由于本线程获得了cv的通知，导致其他的线程无法获得改notify，因此全部阻塞
        _stack.pop();
        return res;
    }

    void pop(T &v)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx);
        if(_stack.empty()) throw EmptyStackError();
        v = std::move(*_stack.top());
        _stack.pop();
    }

    std::shared_ptr<T> pop()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx);
        if(_stack.empty()) throw EmptyStackError();
        auto res = _stack.top();
        _stack.pop();
        return res;
    }

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

private:
    mutable std::mutex _mtx;
    std::condition_variable _cv;
    std::stack<std::shared_ptr<T>> _stack;
};

标签：std,mtx,lock,编程,pop,并发,other,数据结构,stack
From： https://www.cnblogs.com/sfbslover/p/18402978

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