c++ - 固定大小的线程安全队列

Question

我想要做的是将整数推送到具有多个线程的线程安全队列实现中，并同时与另一系列线程弹出插入的数字。所有这些操作都必须是线程安全的，但我想要的另一个选择是队列的大小必须是固定的，就像缓冲区一样。如果缓冲区已满，所有推送线程必须等待弹出线程释放一些插槽。

这是我对队列/缓冲区的实现，它似乎可以工作，但经过几次迭代后它会停止并保持阻塞状态，没有任何错误。

#include <queue>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <iostream>

template <typename T>

class Queue
{
private:
    std::queue<T> queue_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cond_;

public:

    T pop()
    {
        std::unique_lock<std::mutex> mlock(mutex_);

        cond_.wait(mlock, [this]{return !queue_.empty();});

        auto val = queue_.front();
        queue_.pop();
        return val;
    }

    void pop(T& item)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> mlock(mutex_);

        cond_.wait(mlock, [this]{return !queue_.empty();});

        item = queue_.front();
        queue_.pop();
    }

    void push(const T& item, int buffer)
    {
        std::unique_lock<std::mutex> mlock(mutex_);

        while (queue_.size() >= buffer)
        {
            cond_.wait(mlock);
        }

        queue_.push(item);
        mlock.unlock();
        cond_.notify_one();
    }

    Queue()=default;
    Queue(const Queue&) = delete;            // disable copying
    Queue& operator=(const Queue&) = delete; // disable assignment

};

缓冲区的大小在push函数中用变量buffer定义。这是一个用法示例:

 void prepare(Queue<int>& loaded, int buffer, int num_frames)
 {
     for (int i = 0; i < num_frames; i++)
     {
         cout<< "push "<<i<<endl;
         loaded.push(i, buffer);
     }
 }

 void load (vector<Frame>& movie, Queue<int>& loaded, int num_frames,
                            int num_points, int buffer, int height, int width)
    {
        for (int i = 0; i < num_frames; i++)
        {
            int num = loaded.pop();
            cout<< "pop "<<num<<endl;
    }
}

int main()
{
    srand(time(NULL));

    int num_threadsXstage = 4;

    int width = 500;
    int height = 500;

    int num_points = width * height;

    int num_frames = 100;

    int frames_thread = num_frames/num_threadsXstage;

    int preset = 3;

    int buffer = 10;

    //Vectors of threads
    vector<thread> loader;

    //Final vector
    vector<Frame> movie;
    movie.resize(num_frames);

    //Working queues
    Queue<int> loaded;

    //Prepare loading queue task
    thread preparator(prepare, ref(loaded), buffer, num_frames);

    for (int i = 0; i < num_threadsXstage; i++)
    {
        //stage 1
        loader.push_back(thread(&load, ref(movie), ref(loaded), frames_thread,
                                num_points, buffer, height, width));

    }


    // JOIN
    preparator.join();

    join_all(loader);

    return 0;
}

Answer 1

您的 pop 函数可以允许线程等待 push 取得进展，但它们不会调用任何 notify 函数。每当您可以使条件变量上阻塞的线程能够继续前进时，您都必须调用适当的notify函数。

尽管解释原因相当复杂，但您应该在仍持有锁的情况下调用 notify_all 或调用 notify_one。理论上有可能“唤醒错误的线程”，否则因为您对两个谓词使用相同的条件变量(队列不为空且队列未满)。

为了避免非常难以理解的故障模式，请始终执行以下三件事之一:

1. 不要使用相同的条件变量来处理多个谓词。例如，使用一个条件变量表示“不为空”，使用另一个条件变量表示“不满”；
2. 始终使用notify_all，切勿使用notify_one；或
3. 始终在持有互斥体的同时调用通知函数。

只要您至少遵循这三个规则之一，您就可以避免一种模糊的故障模式，即您只唤醒一个在释放互斥体后选择休眠的线程，同时留下唯一可以处理该条件的线程仍然被阻塞.