C++学习笔记（21）

243、条件变量-生产消费者模型
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> 一、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)
二、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。
示例 1：
#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。
}
void outcache() // 消费者线程任务函数。
{
while (true)
{
string message;
{
// 把互斥锁转换成 unique_lock<mutex>，并申请加锁。
unique_lock<mutex> lock(m_mutex);
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); // 等待生产者的唤醒信号。
// 数据元素出队。
message = m_q.front(); m_q.pop();
}
// 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。
cout << "线程：" << this_thread::get_id() << "，" << message << endl;
}
}
};
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(3); // 生产 3 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();
}
示例 2：
#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();
}
244、原子类型 atomic
C++11 提供了 atomic<T>模板类（结构体），用于支持原子类型，模板参数可以是 bool、char、i
nt、long、long long、指针类型（不支持浮点类型和自定义数据类型）。
原子操作由 CPU 指令提供支持，它的性能比锁和消息传递更高，并且，不需要程序员处理加锁和释
放锁的问题，支持修改、读取、交换、比较并交换等操作。
头文件：#include <atomic>
构造函数：
atomic() noexcept = default; // 默认构造函数。
atomic(T val) noexcept; // 转换函数。
atomic(const atomic&) = delete; // 禁用拷贝构造函数。
赋值函数：
atomic& operator=(const atomic&) = delete; // 禁用赋值函数。
常用函数：
void store(const T val) noexcept; // 把 val 的值存入原子变量。
T load() noexcept; // 读取原子变量的值。
T fetch_add(const T val) noexcept; // 把原子变量的值与 val 相加，返回原值。
T fetch_sub(const T val) noexcept; // 把原子变量的值减 val，返回原值。
T exchange(const T val) noexcept; // 把 val 的值存入原子变量，返回原值。
T compare_exchange_strong(T &expect,const T val) noexcept; // 比较原子变量的值和预期
值 expect，如果当两个值相等，把 val 存储到原子变量中，函数返回 true；如果当两个值不相等，用原
子变量的值更新预期值，函数返回 false。CAS 指令。
bool is_lock_free(); // 查询某原子类型的操作是直接用 CPU 指令（返回 true），还是编译器内部
的锁（返回 false）。
原子类型的别名：
注意：
 atomic<T>模板类重载了整数操作的各种运算符。
 atomic<T>模板类的模板参数支持指针，但不表示它所指向的对象是原子类型。
 原子整型可以用作计数器，布尔型可以用作开关。
 CAS 指令是实现无锁队列基础。
示例：
#include <iostream>
#include <atomic> // 原子类型的头文件。
using namespace std;
int main()
{
atomic<int> a = 3; // atomic(T val) noexcept; // 转换函数。
cout << "a=" << a.load() << endl; // 读取原子变量 a 的值。输出：a=3
a.store(8); // 把 8 存储到原子变量中。
cout << "a=" << a.load() << endl; // 读取原子变量 a 的值。 输出：a=8
int old; // 用于存放原值。
old = a.fetch_add(5); // 把原子变量 a 的值与 5 相加，返回原值。
cout << "old = " << old <<"，a = " << a.load() << endl; // 输出：old=8，a=13
old = a.fetch_sub(2); // 把原子变量 a 的值减 2，返回原值。
cout << "old = " << old << "，a = " << a.load() << endl; // 输出：old=13，a=11
atomic<int> ii = 3; // 原子变量
int expect = 4; // 期待值
int val = 5; // 打算存入原子变量的值
// 比较原子变量的值和预期值 expect，
// 如果当两个值相等，把 val 存储到原子变量中；
// 如果当两个值不相等，用原子变量的值更新预期值。
// 执行存储操作时返回 true，否则返回 false。
bool bret = ii.compare_exchange_strong(expect, val);
cout << "bret=" << bret << endl;
cout << "ii=" << ii << endl;
cout << "expect=" << expect << endl;
}