C++基于消息隊列的多線程實現示例代碼

來源：本站原創(chuàng)|時間：2020-01-10|欄目：C語言|點擊：次

前言

實現消息隊列的關鍵因素是考量不同線程訪問消息隊列的同步問題。本實現涉及到幾個知識點

std::lock_guard 介紹

std::lock_gurad 是 C++11 中定義的模板類。定義如下：

template <class Mutex> class lock_guard;

lock_guard 對象通常用于管理某個鎖(Lock)對象，因此與 Mutex RAII 相關，方便線程對互斥量上鎖，即在某個 lock_guard 對象的聲明周期內，它所管理的鎖對象會一直保持上鎖狀態(tài)；而 lock_guard 的生命周期結束之后，它所管理的鎖對象會被解鎖(注：類似 shared_ptr 等智能指針管理動態(tài)分配的內存資源 )。

模板參數 Mutex 代表互斥量類型，例如 std::mutex 類型，它應該是一個基本的 BasicLockable 類型，標準庫中定義幾種基本的 BasicLockable 類型，分別 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex 以及 std::unique_lock

std::unique_lock 介紹

lock_guard 最大的缺點也是簡單，沒有給程序員提供足夠的靈活度，因此，C++11 標準中定義了另外一個與 Mutex RAII 相關類 unique_lock，該類與 lock_guard 類相似，也很方便線程對互斥量上鎖，但它提供了更好的上鎖和解鎖控制。
顧名思義，unique_lock 對象以獨占所有權的方式（ unique owership）管理 mutex 對象的上鎖和解鎖操作，所謂獨占所有權，就是沒有其他的 unique_lock 對象同時擁有某個 mutex 對象的所有權。

新創(chuàng)建的 unique_lock 對象管理 Mutex 對象 m，并嘗試調用 m.lock() 對 Mutex 對象進行上鎖，如果此時另外某個 unique_lock 對象已經管理了該 Mutex 對象 m，則當前線程將會被阻塞。

std::condition介紹

當 std::condition_variable 對象的某個 wait 函數被調用的時候，它使用 std::unique_lock(通過 std::mutex) 來鎖住當前線程。當前線程會一直被阻塞，直到另外一個線程在相同的 std::condition_variable 對象上調用了 notification 函數來喚醒當前線程。

std::condition_variable 提供了兩種 wait() 函數。當前線程調用 wait() 后將被阻塞(此時當前線程應該獲得了鎖（mutex），不妨設獲得鎖 lck)，直到另外某個線程調用 notify_* 喚醒了當前線程。

在線程被阻塞時，該函數會自動調用 lck.unlock() 釋放鎖，使得其他被阻塞在鎖競爭上的線程得以繼續(xù)執(zhí)行。另外，一旦當前線程獲得通知(notified，通常是另外某個線程調用 notify_* 喚醒了當前線程)，wait() 函數也是自動調用 lck.lock()，使得 lck 的狀態(tài)和 wait 函數被調用時相同。

在第二種情況下（即設置了 Predicate），只有當 pred 條件為 false 時調用 wait() 才會阻塞當前線程，并且在收到其他線程的通知后只有當 pred 為 true 時才會被解除阻塞。因此第二種情況類似以下代碼：

while (!pred()) wait(lck);

std::function介紹

使用std::function可以將普通函數，lambda表達式和函數對象類統(tǒng)一起來。它們并不是相同的類型，然而通過function模板類，可以轉化為相同類型的對象（function對象），從而放入一個vector或其他容器里，方便回調。

代碼實現：

#pragma once

#ifndef MESSAGE_QUEUE_H
#define MESSAGE_QUEUE_H

#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

template<class Type>
class CMessageQueue
{
public:
 CMessageQueue& operator = (const CMessageQueue&) = delete;
 CMessageQueue(const CMessageQueue& mq) = delete;


 CMessageQueue() :_queue(), _mutex(), _condition(){}
 virtual ~CMessageQueue(){}

 void Push(Type msg){
  std::lock_guard <std::mutex> lock(_mutex);
  _queue.push(msg);
   //當使用阻塞模式從消息隊列中獲取消息時，由condition在新消息到達時提醒等待線程
  _condition.notify_one();
 }
  //blocked定義訪問方式是同步阻塞或者非阻塞模式
 bool Pop(Type& msg, bool isBlocked = true){
  if (isBlocked)
  {
   std::unique_lock <std::mutex> lock(_mutex);
   while (_queue.empty())
   {
    _condition.wait(lock);
    
   }
   //注意這一段必須放在if語句中，因為lock的生命域僅僅在if大括號內
   msg = std::move(_queue.front());
   _queue.pop();
   return true;
   
  }
  else
  {
   std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);
   if (_queue.empty())
    return false;


   msg = std::move(_queue.front());
   _queue.pop();
   return true;
  }

 }

 int32_t Size(){
  std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);
  return _queue.size();
 }

 bool Empty(){
  std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);
  return _queue.empty();
 }
private:
 std::queue<Type> _queue;//存儲消息的隊列
 mutable std::mutex _mutex;//同步鎖
 std::condition_variable _condition;//實現同步式獲取消息
};

#endif//MESSAGE_QUEUE_H

線程池可以直接在構造函數中構造線程，并傳入回調函數，也可以寫一個Run函數顯示調用。這里我們選擇了第二種，對比：

在handler函數外部做循環(huán)接受消息，當消息到達后調用hanlder處理。這種實現在上層做封裝，但是會在線程中頻繁的切換調用函數。這種設計無法復用一些資源，如當在handler中做數據庫操作時，需要頻繁的連接和斷開連接，可以通過定義兩個虛函數Prehandler和AfterHandler來實現。
！?。嬙旌瘮抵姓{用虛函數并不會能真正的調用子類的實現?。?！
雖然可以對虛函數進行實調用，但程序員編寫虛函數的本意應該是實現動態(tài)聯編。在構造函數中調用虛函數，函數的入口地址是在編譯時靜態(tài)確定的，并未實現虛調用
寫一個Run函數，將這一部分實現放在run函數中，顯示調用。
《Effective C++ 》條款9：永遠不要在構造函數或析構函數中調用虛函數

#ifndef THREAD_POOL_H
#define THREAD_POOL_H


#include <functional>
#include <vector>
#include <thread>

#include "MessageQueue.h"

#define MIN_THREADS 1

template<class Type>
class CThreadPool
{
 CThreadPool& operator = (const CThreadPool&) = delete;
 CThreadPool(const CThreadPool& other) = delete;

public:
 CThreadPool(int32_t threads, 
  std::function<void(Type& record, CThreadPool<Type>* pSub)> handler);
 virtual ~CThreadPool();

 void Run();
 virtual void PreHandler(){}
 virtual void AfterHandler(){}
 void Submit(Type record);


private:
 bool _shutdown;
 int32_t _threads;
 std::function<void(Type& record, CThreadPool<Type>* pSub)> _handler;
 std::vector<std::thread> _workers;
 CMessageQueue<Type> _tasks;

};



template<class Type>
CThreadPool<Type>::CThreadPool(int32_t threads, 
 std::function<void(Type& record, CThreadPool<Type>* pSub)> handler)
 :_shutdown(false),
 _threads(threads),
 _handler(handler),
 _workers(),
 _tasks()
{

 //第一種實現方案，注意這里的虛函數調用不正確
 /*if (_threads < MIN_THREADS)
  _threads = MIN_THREADS;
 for (int32_t i = 0; i < _threads; i++)
 {
  
  _workers.emplace_back(
   [this]{
   PreHandler();
   while (!_shutdown){
    Type record;
    _tasks.Pop(record, true);
    _handler(record, this);
   }
   AfterHandler();
  }
  );
 }*/

}

//第二種實現方案
template<class Type>
void CThreadPool<Type>::Run()
{
 if (_threads < MIN_THREADS)
  _threads = MIN_THREADS;
 for (int32_t i = 0; i < _threads; i++)
 {
  _workers.emplace_back(
   [this]{
   PreHandler();
   while (!_shutdown){
    Type record;
    _tasks.Pop(record, true);
    _handler(record, this);
   }
   AfterHandler();
  }
  );
 }
}




template<class Type>
CThreadPool<Type>::~CThreadPool()
{
 for (std::thread& worker : _workers)
  worker.join();
}


template<class Type>
void CThreadPool<Type>::Submit(Type record)
{
 _tasks.Push(record);
}
#endif // !THREAD_POOL_H

總結

以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，謝謝大家對我們的支持。

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