目录
9.2.4 中断条件变量std::condition_variable_any上的等待
大多数系统中,将每个任务指定给某个线程是不切实际的,不过可以利用并发性,进行并发执行。线程池提供了这样的功能,将提交到线程池中的任务并发执行,提交的任务将会挂在任务队列上。工作线程会从队列中的获取任务,当任务执行完成后,再从任务队列中获取下一个任务。
创建一个线程池时,会遇到几个关键性的设计问题,比如:可使用的线程数量,高效的任务分配方式,以及是否需要等待一个任务完成。
代码9.1 简单的线程池
- class thread_pool
- {
- std::atomic_bool done;
- thread_safe_queue
void()> > work_queue; // 1 - std::vector
threads; // 2 - join_threads joiner; // 3
-
- void worker_thread()
- {
- while(!done) // 4
- {
- std::function<void()> task;
- if(work_queue.try_pop(task)) // 5
- {
- task(); // 6
- }
- else
- {
- std::this_thread::yield(); // 7
- }
- }
- }
-
- public:
- thread_pool():
- done(false),joiner(threads)
- {
- unsigned const thread_count=std::thread::hardware_concurrency(); // 8
-
- try
- {
- for(unsigned i=0;i
- {
- threads.push_back(
- std::thread(&thread_pool::worker_thread,this)); // 9
- }
- }
- catch(...)
- {
- done=true; // 10
- throw;
- }
- }
-
- ~thread_pool()
- {
- done=true; // 11
- }
-
- template<typename FunctionType>
- void submit(FunctionType f)
- {
- work_queue.push(std::function<void()>(f)); // 12
- }
- };
这样简单的线程池就完成了,特别是任务没有返回值,或需要执行阻塞操作的任务。很多情况下,这样的线程池是不够用的,其他情况使用这样简单的线程池可能会出现问题,比如:死锁。同样,在简单例子中使用std::async
能提供更好的功能。
9.1.2 等待提交给线程池的任务完成运行
第8章中的例子中,线程间的任务划分完成后,代码会显式生成新线程,主线程通常是等待新线程在返回调用之后结束,确保所有任务都完成。使用线程池就需要等待任务提交到线程池中,而非直接提交给单个线程。与基于std::async
的方法类似,使用代码9.1中的简单线程池,使用第4章中提到的工具:条件变量和future。虽然会增加代码的复杂度,不过要比直接对任务进行等待好很多。
通过增加线程池的复杂度,可以直接等待任务完成。使用submit()函数返回对任务描述的句柄,可用来等待任务的完成。任务句柄会用条件变量或future进行包装,从而简化线程池的实现。
一种特殊的情况是,执行任务的线程需要返回结果到主线程上进行处理。本这种情况下,需要用future对最终的结果进行转移。代码9.2展示了对简单线程池的修改,通过修改就能等待任务完成,以及在工作线程完成后,返回一个结果到等待线程中去,不过std::packaged_task<>
实例是不可拷贝的,仅可移动,所以不能再使用std::function<>
来实现任务队列,因为std::function<>
需要存储可复制构造的函数对象。包装一个自定义函数,用来处理可移动的类型,就是一个带有函数操作符的类型擦除类。只需要处理没有入参的函数和无返回的函数即可,所以这只是一个简单的虚函数调用。
代码9.2 可等待任务的线程池
- class function_wrapper
- {
- struct impl_base {
- virtual void call()=0;
- virtual ~impl_base() {}
- };
-
- std::unique_ptr
impl; - template<typename F>
- struct impl_type: impl_base
- {
- F f;
- impl_type(F&& f_): f(std::move(f_)) {}
- void call() { f(); }
- };
- public:
- template<typename F>
- function_wrapper(F&& f):
- impl(new impl_type
(std::move(f))) - {}
-
- void operator()() { impl->call(); }
-
- function_wrapper() = default;
-
- function_wrapper(function_wrapper&& other):
- impl(std::move(other.impl))
- {}
-
- function_wrapper& operator=(function_wrapper&& other)
- {
- impl=std::move(other.impl);
- return *this;
- }
-
- function_wrapper(const function_wrapper&)=delete;
- function_wrapper(function_wrapper&)=delete;
- function_wrapper& operator=(const function_wrapper&)=delete;
- };
-
- class thread_pool
- {
- thread_safe_queue
work_queue; // 使用function_wrapper,而非使用std::function -
- void worker_thread()
- {
- while(!done)
- {
- function_wrapper task;
- if(work_queue.try_pop(task))
- {
- task();
- }
- else
- {
- std::this_thread::yield();
- }
- }
- }
- public:
- template<typename FunctionType>
- std::future<typename std::result_of<FunctionType()>::type> // 1
- submit(FunctionType f)
- {
- typedef typename std::result_of<FunctionType()>::type
- result_type; // 2
-
- std::packaged_task<result_type()> task(std::move(f)); // 3
- std::future
res(task.get_future()) ; // 4 - work_queue.push(std::move(task)); // 5
- return res; // 6
- }
- // 和之前一样
- };
9.1.3等待其他任务完成的任务
最简单的方法就是在thread_pool中添加一个新函数,来执行任务队列上的任务,并对线程池进行管理。高级线程池的实现可能会在等待函数中添加逻辑,或等待其他函数来处理这个任务,优先的任务会让其他的任务进行等待。下面代码中的实现,就展示了一个新run_pending_task()函数,对于快速排序的修改将会在代码9.5中展示。
代码9.4 run_pending_task()函数实现
- void thread_pool::run_pending_task()
- {
- function_wrapper task;
- if(work_queue.try_pop(task))
- {
- task();
- }
- else
- {
- std::this_thread::yield();
- }
- }
下面快速排序算法的实现要比代码8.1中版本简单许多,因为所有线程管理逻辑都移到线程池中了。
代码9.5 基于线程池的快速排序实现
- template<typename T>
- struct sorter // 1
- {
- thread_pool pool; // 2
-
- std::list
do_sort(std::list& chunk_data) - {
- if(chunk_data.empty())
- {
- return chunk_data;
- }
-
- std::list
result; - result.splice(result.begin(),chunk_data,chunk_data.begin());
- T const& partition_val=*result.begin();
-
- typename std::list
::iterator divide_point= - std::partition(chunk_data.begin(),chunk_data.end(),
- [&](T const& val){return val
-
- std::list
new_lower_chunk; - new_lower_chunk.splice(new_lower_chunk.end(),
- chunk_data,chunk_data.begin(),
- divide_point);
-
- std::future
> new_lower= // 3 - pool.submit(std::bind(&sorter::do_sort,this,
- std::move(new_lower_chunk)));
-
- std::list
new_higher(do_sort(chunk_data)) ; -
- result.splice(result.end(),new_higher);
- while(!new_lower.wait_for(std::chrono::seconds(0)) ==
- std::future_status::timeout)
- {
- pool.run_pending_task(); // 4
- }
-
- result.splice(result.begin(),new_lower.get());
- return result;
- }
- };
-
- template<typename T>
- std::list
parallel_quick_sort(std::list input) - {
- if(input.empty())
- {
- return input;
- }
- sorter
s; -
- return s.do_sort(input);
- }
9.1.4 避免任务队列上的争夺
为了避免乒乓缓存,每个线程建立独立的任务队列。这样,每个线程就会将新任务放在自己的任务队列上,并且当线程上的任务队列没有任务时,去全局的任务列表中取任务。下面列表中的实现,使用了一个thread_local变量,来保证每个线程都拥有自己的任务列表(如全局列表那样)。
代码9.6 线程池——线程具有本地任务队列
- class thread_pool
- {
- thread_safe_queue
pool_work_queue; -
- typedef std::queue
local_queue_type; // 1 - static thread_local std::unique_ptr
- local_work_queue; // 2
-
- void worker_thread()
- {
- local_work_queue.reset(new local_queue_type); // 3
- while(!done)
- {
- run_pending_task();
- }
- }
-
- public:
- template<typename FunctionType>
- std::future<typename std::result_of<FunctionType()>::type>
- submit(FunctionType f)
- {
- typedef typename std::result_of<FunctionType()>::type result_type;
-
- std::packaged_task<result_type()> task(f);
- std::future
res(task.get_future()) ; - if(local_work_queue) // 4
- {
- local_work_queue->push(std::move(task));
- }
- else
- {
- pool_work_queue.push(std::move(task)); // 5
- }
- return res;
- }
-
- void run_pending_task()
- {
- function_wrapper task;
- if(local_work_queue && !local_work_queue->empty()) // 6
- {
- task=std::move(local_work_queue->front());
- local_work_queue->pop();
- task();
- }
- else if(pool_work_queue.try_pop(task)) // 7
- {
- task();
- }
- else
- {
- std::this_thread::yield();
- }
- }
- // rest as before
- };
9.1.5 任务窃取
任务分配不均时,造成的结果就是:某个线程本地队列中有很多任务的同时,其他线程无所事事。例如:举一个快速排序的例子,一开始的数据块能在线程池上被处理,因为剩余部分会放在工作线程的本地队列上进行处理,这样的使用方式也违背使用线程池的初衷。
幸好这个问题有解:本地工作队列和全局工作队列上没有任务时,可从别的线程队列中窃取任务。
代码9.7 基于锁的任务窃取队列
- class work_stealing_queue
- {
- private:
- typedef function_wrapper data_type;
- std::deque
the_queue; // 1 - mutable std::mutex the_mutex;
-
- public:
- work_stealing_queue()
- {}
-
- work_stealing_queue(const work_stealing_queue& other)=delete;
- work_stealing_queue& operator=(
- const work_stealing_queue& other)=delete;
-
- void push(data_type data) // 2
- {
- std::lock_guard
lock(the_mutex) ; - the_queue.push_front(std::move(data));
- }
-
- bool empty() const
- {
- std::lock_guard
lock(the_mutex) ; - return the_queue.empty();
- }
-
- bool try_pop(data_type& res) // 3
- {
- std::lock_guard
lock(the_mutex) ; - if(the_queue.empty())
- {
- return false;
- }
-
- res=std::move(the_queue.front());
- the_queue.pop_front();
- return true;
- }
-
- bool try_steal(data_type& res) // 4
- {
- std::lock_guard
lock(the_mutex) ; - if(the_queue.empty())
- {
- return false;
- }
-
- res=std::move(the_queue.back());
- the_queue.pop_back();
- return true;
- }
- };
这就说明每个线程中的“队列”是一个后进先出的栈,最新推入的任务将会第一个执行。从缓存角度来看,这将对性能有所提升,因为任务相关的数据一直存于缓存中,要比提前将任务相关数据推送到栈上好。同样,这种方式很好的映射到某个算法上,例如:快速排序。之前的实现中,每次调用do_sort()都会推送一个任务到栈上,并且等待这个任务执行完毕。通过对最新推入任务的处理,就可以保证在将当前所需数据块处理完成前,其他任务是否需要这些数据块,从而可以减少活动任务的数量和栈的使用次数。try_steal()从队列末尾获取任务,为了减少与try_pop()之间的竞争。使用在第6、7章中的所讨论的技术来让try_pop()和try_steal()并发执行。
现在拥有了一个很不错的任务队列,并且支持窃取。那如何在线程池中使用这个队列呢?这里简单的展示一下。
代码9.8 使用任务窃取的线程池
- class thread_pool
- {
- typedef function_wrapper task_type;
-
- std::atomic_bool done;
- thread_safe_queue
pool_work_queue; - std::vector
> queues; // 1 - std::vector
threads; - join_threads joiner;
-
- static thread_local work_stealing_queue* local_work_queue; // 2
- static thread_local unsigned my_index;
-
- void worker_thread(unsigned my_index_)
- {
- my_index=my_index_;
- local_work_queue=queues[my_index].get(); // 3
- while(!done)
- {
- run_pending_task();
- }
- }
-
- bool pop_task_from_local_queue(task_type& task)
- {
- return local_work_queue && local_work_queue->try_pop(task);
- }
-
- bool pop_task_from_pool_queue(task_type& task)
- {
- return pool_work_queue.try_pop(task);
- }
-
- bool pop_task_from_other_thread_queue(task_type& task) // 4
- {
- for(unsigned i=0;i
size();++i) - {
- unsigned const index=(my_index+i+1)%queues.size(); // 5
- if(queues[index]->try_steal(task))
- {
- return true;
- }
- }
- return false;
- }
-
- public:
- thread_pool():
- done(false),joiner(threads)
- {
- unsigned const thread_count=std::thread::hardware_concurrency();
-
- try
- {
- for(unsigned i=0;i
- {
- queues.push_back(std::unique_ptr
( // 6 - new work_stealing_queue));
- threads.push_back(
- std::thread(&thread_pool::worker_thread,this,i));
- }
- }
- catch(...)
- {
- done=true;
- throw;
- }
- }
-
- ~thread_pool()
- {
- done=true;
- }
-
- template<typename FunctionType>
- std::future<typename std::result_of<FunctionType()>::type> submit(
- FunctionType f)
- {
- typedef typename std::result_of<FunctionType()>::type result_type;
- std::packaged_task<result_type()> task(f);
- std::future
res(task.get_future()) ; - if(local_work_queue)
- {
- local_work_queue->push(std::move(task));
- }
- else
- {
- pool_work_queue.push(std::move(task));
- }
- return res;
- }
-
- void run_pending_task()
- {
- task_type task;
- if(pop_task_from_local_queue(task) || // 7
- pop_task_from_pool_queue(task) || // 8
- pop_task_from_other_thread_queue(task)) // 9
- {
- task();
- }
- else
- {
- std::this_thread::yield();
- }
- }
- };
9.2 中断线程
9.2.1 发起一个线程,以及把他中断
代码9.9 interruptible_thread的基本实现
- class interrupt_flag
- {
- public:
- void set();
- bool is_set() const;
- };
- thread_local interrupt_flag this_thread_interrupt_flag; // 1
-
- class interruptible_thread
- {
- std::thread internal_thread;
- interrupt_flag* flag;
- public:
- template<typename FunctionType>
- interruptible_thread(FunctionType f)
- {
- std::promise
p; // 2 - internal_thread=std::thread([f,&p]{ // 3
- p.set_value(&this_thread_interrupt_flag);
- f(); // 4
- });
- flag=p.get_future().get(); // 5
- }
- void interrupt()
- {
- if(flag)
- {
- flag->set(); // 6
- }
- }
- };
9.2.2 检测线程是否被中断
9.2.3 中断条件变量上的等待
代码9.11 为std::condition_variable
在interruptible_wait中使用超时
- class interrupt_flag
- {
- std::atomic<bool> flag;
- std::condition_variable* thread_cond;
- std::mutex set_clear_mutex;
-
- public:
- interrupt_flag():
- thread_cond(0)
- {}
-
- void set()
- {
- flag.store(true,std::memory_order_relaxed);
- std::lock_guard
lk(set_clear_mutex) ; - if(thread_cond)
- {
- thread_cond->notify_all();
- }
- }
-
- bool is_set() const
- {
- return flag.load(std::memory_order_relaxed);
- }
-
- void set_condition_variable(std::condition_variable& cv)
- {
- std::lock_guard
lk(set_clear_mutex) ; - thread_cond=&cv;
- }
-
- void clear_condition_variable()
- {
- std::lock_guard
lk(set_clear_mutex) ; - thread_cond=0;
- }
-
- struct clear_cv_on_destruct
- {
- ~clear_cv_on_destruct()
- {
- this_thread_interrupt_flag.clear_condition_variable();
- }
- };
- };
-
- void interruptible_wait(std::condition_variable& cv,
- std::unique_lock
& lk) - {
- interruption_point();
- this_thread_interrupt_flag.set_condition_variable(cv);
- interrupt_flag::clear_cv_on_destruct guard;
- interruption_point();
- cv.wait_for(lk,std::chrono::milliseconds(1));
- interruption_point();
- }
9.2.4 中断条件变量std::condition_variable_any上的等待
代码9.12 为std::condition_variable_any
设计的interruptible_wait
- class interrupt_flag
- {
- std::atomic<bool> flag;
- std::condition_variable* thread_cond;
- std::condition_variable_any* thread_cond_any;
- std::mutex set_clear_mutex;
-
- public:
- interrupt_flag():
- thread_cond(0),thread_cond_any(0)
- {}
-
- void set()
- {
- flag.store(true,std::memory_order_relaxed);
- std::lock_guard
lk(set_clear_mutex) ; - if(thread_cond)
- {
- thread_cond->notify_all();
- }
- else if(thread_cond_any)
- {
- thread_cond_any->notify_all();
- }
- }
-
- template<typename Lockable>
- void wait(std::condition_variable_any& cv,Lockable& lk)
- {
- struct custom_lock
- {
- interrupt_flag* self;
- Lockable& lk;
-
- custom_lock(interrupt_flag* self_,
- std::condition_variable_any& cond,
- Lockable& lk_):
- self(self_),lk(lk_)
- {
- self->set_clear_mutex.lock(); // 1
- self->thread_cond_any=&cond; // 2
- }
-
- void unlock() // 3
- {
- lk.unlock();
- self->set_clear_mutex.unlock();
- }
-
- void lock()
- {
- std::lock(self->set_clear_mutex,lk); // 4
- }
-
- ~custom_lock()
- {
- self->thread_cond_any=0; // 5
- self->set_clear_mutex.unlock();
- }
- };
- custom_lock cl(this,cv,lk);
- interruption_point();
- cv.wait(cl);
- interruption_point();
- }
- // rest as before
- };
-
- template<typename Lockable>
- void interruptible_wait(std::condition_variable_any& cv,
- Lockable& lk)
- {
- this_thread_interrupt_flag.wait(cv,lk);
- }
9.2.5 中断其他阻塞型等待
9.2.6 处理中断
9.2.7 在应用程序推出时中断后台任务
试想在桌面上查找一个应用。这就需要与用户互动,应用的状态需要能在显示器上显示,就能看出应用有什么改变。为了避免影响GUI的响应时间,通常会将处理线程放在后台运行。后台进程需要一直执行,直到应用退出。后台线程会作为应用启动的一部分被启动,并且在应用终止的时候停止运行。通常这样的应用只有在机器关闭时才会退出,因为应用需要更新应用最新的状态,就需要全时间运行。在某些情况下,当应用关闭,需要使用有序的方式将后台线程关闭,其中一种方式就是中断。
下面代码中为一个系统实现了简单的线程管理部分。
代码9.13 后台监视文件系统
- std::mutex config_mutex;
- std::vector
background_threads; -
- void background_thread(int disk_id)
- {
- while(true)
- {
- interruption_point(); // 1
- fs_change fsc=get_fs_changes(disk_id); // 2
- if(fsc.has_changes())
- {
- update_index(fsc); // 3
- }
- }
- }
-
- void start_background_processing()
- {
- background_threads.push_back(
- interruptible_thread(background_thread,disk_1));
- background_threads.push_back(
- interruptible_thread(background_thread,disk_2));
- }
-
- int main()
- {
- start_background_processing(); // 4
- process_gui_until_exit(); // 5
- std::unique_lock
lk(config_mutex) ; - for(unsigned i=0;i
size();++i) - {
- background_threads[i].interrupt(); // 6
- }
- for(unsigned i=0;i
size();++i) - {
- background_threads[i].join(); // 7
- }
- }
9.3 小结
本章中了解各种线程管理的高级技术:线程池和中断线程。也了解了如何使用本地任务队列,使用任务窃取的方式减小同步开销,提高线程池的吞吐量,等待子任务完成的同时执行队列中其他任务,从而来避免死锁。
还有,使用线程去中断另一个处理线程的各种方式,比如:使用特定的断点和函数执行中断,要不就是使用某种方法对阻塞等待进行中断。
-
相关阅读:
代码编辑快捷键使用说明
Golang实现一个批量自动化执行树莓派指令的软件(2)指令
leetCode 面试题 02.04. 分割链表
十三、Vue CLI(2)
Mybatis-plus的介绍与使用
利用CNN进行手写数字识别
如何编写优秀的测试用例,建议收藏和转发
网络上怎么赚点零花钱
jquery 事件和事件对象
Docker浅尝
-
原文地址:https://blog.csdn.net/qq_52758467/article/details/133468661