生产者消费者模型

 线程同步

• 互斥锁(互斥量)
• 条件变量
• 生产/消费者模型

一、互斥锁

C++11提供了四种互斥锁：

• mutex：互斥锁。
• timed_mutex：带超时机制的互斥锁。
• recursive_mutex：递归互斥锁。
• recursive_timed_mutex：带超时机制的递归互斥锁。

包含头文件：#include <mutex>

1、mutex类

1）加锁lock()

互斥锁有锁定和未锁定两种状态。

如果互斥锁是未锁定状态，调用lock()成员函数的线程会得到互斥锁的所有权，并将其上锁。

如果互斥锁是锁定状态，调用lock()成员函数的线程就会阻塞等待，直到互斥锁变成未锁定状态。

2）解锁unlock()

只有持有锁的线程才能解锁。

lock和unlock至少满足95%的应用场景！

3）尝试加锁try_lock()

如果互斥锁是未锁定状态，则加锁成功，函数返回true。

如果互斥锁是锁定状态，则加锁失败，函数立即返回false。（线程不会阻塞等待）

2、timed_mutex类

增加了两个成员函数：

bool try_lock_for(时间长度);

bool try_lock_until(时间点);

3、recursive_mutex类

递归互斥锁允许同一线程多次获得互斥锁，可以解决同一线程多次加锁造成的死锁问题。

4、lock_guard类

lock_guard是模板类，可以简化互斥锁的使用，也更安全。

lock_guard的定义如下：

template<class Mutex>
class lock_guard
{
  explicit lock_guard(Mutex& mtx);
}

lock_guard在构造函数中加锁，在析构函数中解锁。

lock_guard采用了RAII思想（在类构造函数中分配资源，在析构函数中释放资源，保证资源在离开作用域时自动释放）。

二、条件变量-生产消费者模型

条件变量

• 当条件不满足时，相关线程被一直阻塞，直到某种条件出现，这些线程才会被唤醒。
• 为了保护共享资源，条件变量需要和互斥锁结合一起使用
• 生产/消费者模型(高速缓存队列)

条件变量是一种线程同步机制。当条件不满足时，相关线程被一直阻塞，直到某种条件出现，这些线程才会被唤醒。

C++11的条件变量提供了两个类：

condition_variable：只支持与普通mutex搭配，效率更高。

condition_variable_any：是一种通用的条件变量，可以与任意mutex搭配（包括用户自定义的锁类型）。

包含头文件：<condition_variable>

1、condition_variable类

主要成员函数：

1）condition_variable() 默认构造函数。

2）condition_variable(const condition_variable &)=delete 禁止拷贝。

3）condition_variable& condition_variable::operator=(const condition_variable &)=delete 禁止赋值。

4）notify_one() 通知一个等待的线程。

5）notify_all() 通知全部等待的线程。

6）wait(unique_lock<mutex> lock) 阻塞当前线程，直到通知到达。

7）wait(unique_lock<mutex> lock,Pred pred) 循环的阻塞当前线程，直到通知到达且谓词满足。

8）wait_for(unique_lock<mutex> lock,时间长度)

9）wait_for(unique_lock<mutex> lock,时间长度,Pred pred)

10）wait_until(unique_lock<mutex> lock,时间点)

11）wait_until(unique_lock<mutex> lock,时间点,Pred pred)

重点（wait(mutex)函数）：

wait(mutex)做了三件事：

1. 把互斥锁解锁。

2. 阻塞，等待被唤醒。

3. 被唤醒后，给互斥锁加锁。

2、unique_lock类

template <class Mutex> class unique_lock是模板类，模板参数为互斥锁类型。

unique_lock和lock_guard都是管理锁的辅助类，都是RAII风格（在构造时获得锁，在析构时释放锁）。它们的区别在于：为了配合condition_variable，unique_lock还有lock()和unlock()成员函数。

生产者消费者模型类示例：

#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>                      // 线程类头文件。
#include <mutex>                      // 互斥锁类的头文件。
#include <deque>                      // deque容器的头文件。
#include <queue>                      // queue容器的头文件。
#include <condition_variable>  // 条件变量的头文件。
using namespace std;
class AA
{
    mutex m_mutex;                                    // 互斥锁。
    condition_variable m_cond;                  // 条件变量。
    queue<string, deque<string>> m_q;   // 缓存队列，底层容器用deque。
public:
    void incache(int num)     // 生产数据，num指定数据的个数。
    {
        lock_guard<mutex> lock(m_mutex);   // 申请加锁。
        for (int ii=0 ; ii<num ; ii++)
        {
            static int bh = 1;           // 超女编号。
            string message = to_string(bh++) + "号超女";    // 拼接出一个数据。
            m_q.push(message);     // 把生产出来的数据入队。
        }
        //m_cond.notify_one();     // 唤醒一个被当前条件变量阻塞的线程。
        m_cond.notify_all();          // 唤醒全部被当前条件变量阻塞的线程。
    }
    
    void outcache()   {    // 消费者线程任务函数。
        while (true)   {
            // 把互斥锁转换成unique_lock<mutex>，并申请加锁。
            unique_lock<mutex> lock(m_mutex);

            // 条件变量虚假唤醒：消费者线程被唤醒后，缓存队列中没有数据。
            //while (m_q.empty())    // 如果队列空，进入循环，否则直接处理数据。必须用循环，不能用if
            //    m_cond.wait(lock);  // 1）把互斥锁解开；2）阻塞，等待被唤醒；3）给互斥锁加锁。
            m_cond.wait(lock, [this] { return !m_q.empty(); });

            // 数据元素出队。
            string message = m_q.front();  m_q.pop();
            cout << "线程：" << this_thread::get_id() << "，" << message << endl;
            lock.unlock();      // 手工解锁。

            // 处理出队的数据（把数据消费掉）。
            this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(1));   // 假设处理数据需要1毫秒。
        }
    }
};

int main()
{
    AA aa;
  
    thread t1(&AA::outcache, &aa);     // 创建消费者线程t1。
    thread t2(&AA::outcache, &aa);     // 创建消费者线程t2。
    thread t3(&AA::outcache, &aa);     // 创建消费者线程t3。

    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));    // 休眠2秒。
    aa.incache(2);      // 生产2个数据。

    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(3));    // 休眠3秒。
    aa.incache(5);      // 生产5个数据。

    t1.join();   // 回收子线程的资源。
    t2.join();
    t3.join(); 
}

流程：

• 程序运行，因为wait把互斥锁解开了，所以三个消费者都能加锁成功，现在wait到了第二步，三个线程都被阻塞在条件变量的wait()函数中，此时互斥锁没有被任何线程占有；
• 生产者往队列中放完数据后，会发出条件信号；
• wait()函数接收到i先弄好之后，不一定立即返回，他还要申请加锁，加锁成功后才会返回；
• 如果wait()返回了，一定申请到了锁，接下来可以让队列中的数据出队，出对后再解锁。

消费者线程中的while(m_q.empty())循环：

条件变量存在虚假唤醒的情况：消费者线程被唤醒后，缓存队列中没有数据（三个消费者线程，一次生产两个数据，然后notifyall，全部唤醒，肯定有一个线程拿不到数据，被虚假唤醒了）。如果被虚假唤醒了应该继续等待下一次通知，所以用if肯定不行，必须用while。

也可以用wait(unique_lock<mutex> lock,Pred pred) 版本，添加一个谓词：

m_cond.wait(lock, [this] { return !m_q.empty(); });

效果是一样的，本质上这个重载的wait函数中也有个while循环。