C++11 生产者消费者

下面是一个生产者消费者问题，来介绍condition_variable的用法。当线程间的共享数据发生变化的时候，可以通过condition_variable来通知其他的线程。消费者wait 直到生产者通知其状态发生改变，Condition_variable是使用方法如下：

·当持有锁之后，线程调用wait

·wait解开持有的互斥锁(mutex)，阻塞本线程，并将自己加入到唤醒队列中

·当收到通知（notification），该线程从阻塞中恢复，并加入互斥锁队列（mutex queue）

线程被唤醒之后继续持有锁运行。

Condition variable有两种类型：condition_variable 和 condition_variable_any，前一种效率更高，但是使用不够灵活，只支持std::unique_lock<std::mutex>类型的互斥锁；后一种比较灵活，支持所有类型的锁，但是效率稍微低一些。

有一点需要注意的是使用condition variable进行通信的线程，condition variable 需要使用相同的互斥信号量（mutex）。

下面来看例子：（当按下回车键之后停止）

#include <thread>

#include <iostream>

#include <mutex>

#include <queue>

#include <condition_variable>

#include <atomic>

using namespace std;

int main()
{

    mutex lockBuffer; //申明互斥信号量

    volatile bool ArretDemande = false; //使生产、消费过程的结束

    queue<long> buffer;       

    condition_variable_any cndNotifierConsommateurs;//condition variable

    condition_variable_any cndNotifierProducteur;   

    thread ThreadProducteur([&]()//生产者线程
    {

        std::atomic<long> interlock;//对interlock的操作将是原子的

        interlock=1;   

        while(true)
        {               

                std::this_thread::sleep_for (chrono::milliseconds (15));               

                long element=interlock.fetch_add (1);//【1】

                lockBuffer.lock ();

                while(buffer.size()==10 && ArretDemande ==false)
                {

                    cndNotifierProducteur.wait (lockBuffer);//【2】

                }

                if (ArretDemande==true)

                {                   

                    lockBuffer.unlock ();

                    cndNotifierConsommateurs.notify_one ();//【3】

                    break;

                }

                buffer.push(element);

                cout << "Production unlement :" << element << " size :" << buffer.size() << endl;

                lockBuffer.unlock ();

                cndNotifierConsommateurs.notify_one ();

        }

    } );
    thread ThreadConsommateur([&]()
    {

        while(true)
            {

                lockBuffer.lock ();

                while(buffer.empty () && ArretDemande==false)

                {                   

                    cndNotifierConsommateurs.wait(lockBuffer);

                }

                if (ArretDemande==true && buffer.empty ())

                {

                    lockBuffer.unlock();

                    cndNotifierProducteur.notify_one ();

                    break;

                }

                long element=buffer.front();

                buffer.pop ();

                cout << "Consommation element :" << element << " size :" << buffer.size() << endl;

                lockBuffer.unlock ();

                cndNotifierProducteur.notify_one ();

            }           

    } );

    std::cout << "Pour arreter pressez [ENTREZ]" << std::endl;

    getchar();

    std::cout << "Arret demande" << endl
    ArretDemande=true;

    ThreadProducteur.join();
    ThreadConsommateur.join();

    cout<<"Main Thread"<<endl;

    return 0;

}

运行结果：

对程序进行一下说明，程序中有三个线程，主线程、生产者线程、消费者线程，三个线程之间乱序执行，通过一些全局变量来控制他们的执行顺序。主线程的作用是控制生产消费过程是否结束，当程序运行之后，主线程通过getchar()接收一个输入，接收到输入后会将ArretDemande设置为true，另外两个线程会终止。生产者线程将生产出来的数据放在一个queue类型的buffer中，并解锁，通知消费之线程，buffer中最多“能”存10个数据，如果buffer中已经有10个数据还没有被取走，则会通知消费者线程“消费”，如果ArretDmande被置位，则打开锁，并通知消费之线程。消费者线程主要是将buffer中的数据取出来，当buffer为空的时候阻塞自己，并通知生产者线程，当ArretDemande被置位，且已经消费完产品则解锁，并通知生产者线程。需要注意的是需要通信的生产者和消费者这两个线程通过condition variable来实现通信，必须操作同一个mutex，这里是lockbuffer，并且每次Notify都会打开当前锁。

程序中对interlock进行的操作是原子的，interlock.fet_add(N),效果是将interlock加N，然后返回interlock在加N之前的值，atomic类型是通过一定的内存顺序规则来实现这个过程的。

虽然conditon_variable 只能支持std::unique_lock<std::mutex>类型的互斥锁,但是在大部分情况下已经够用，而且使用std::unique_lock<std::mutex>会比较简单，因为std::unique_lock<std::mutex>在声明的时候就会初始化，在生命周期结束之后就会自动解锁，因此我们不用太花精力来考虑什么时候解锁。我们来看看下面这段程序：

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

int main()
{
    std::queue<int> produced_nums;
    std::mutex m;;
    std::condition_variable cond_var;
    bool done = false;
    bool notified = false;

    std::thread producer([&]() {
        for ( int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono:: seconds(1));
            std:: unique_lock<std::mutex > lock(m);  //May lock mutex after construction, unlock before destruction.
            std::cout << "producing " << i << '\n' ;
            produced_nums.push(i);
            notified = true;
　　　　　　  cond_var.notify_one();
        }  

        done = true;
        cond_var.notify_one();
    });
    //cond_var.notify_one();
    std::thread consumer([&]() {
        while (!done) {
            std:: unique_lock<std::mutex > lock(m);
            while (!notified) {  // loop to avoid spurious wakeups
                cond_var.wait(lock);
            }
            while (!produced_nums.empty()) {
                std::cout << "consuming " << produced_nums.front() << '\n';
                produced_nums.pop();
            }
            notified = false;
        }
    });

    producer.join();
    consumer.join();

        return 0;
}

运行结果：

C:\Windows\system32\cmd.exe /c producer_consumer.exe
producing 0
consuming 0
producing 1
consuming 1
producing 2
consuming 2
producing 3
consuming 3
producing 4
consuming 4
Hit any key to close this window...

更新：2012年8月4日16:53:25

make it simple, make it happen