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C++ 線程間同步

發布時間：2021-03-29 09:36:33　最后更新：2021-03-30 09:02:29　瀏覽次數：4287

0 前言

多線程在運行過程中，各個線程都是隨著 OS 的調度算法，占用 CPU 時間片來執行指令做事情，每個線程的運行完全沒有順序可言。

在某些應用場景下，一個線程需要等待另外一個線程的運行結果，才能繼續往下執行，這就涉及到線程之間的同步通信機制。

線程間同步通信最典型的例子就是生產者-消費者模型，生產者線程生產出產品以后，會通知消費者線程去消費產品；當消費者線程去消費產品時，發現還沒有產品生產出來，它需要通知生產者線程趕快生產產品，等生產者線程生產出產品以后，消費者線程才能繼續往下執行。

1 消費者“被動等待”

#include 
#include 
#include 

static std::mutex mtx;
static std::deque<int> dq;
static int productNum = 5;

void Producer()
{
    using namespace std::literals::chrono_literals;
    for (int i = 1; i <= productNum; ++i) {
        mtx.lock();
        dq.push_front(i);
        std::cout << "Producer 生產產品為: " << i << std::endl;
        mtx.unlock();
        // std::this_thread::sleep_for(1s);
    }
}

void Consumer()
{
    while (true) {
        if (dq.empty()) {
            continue;
        }
        mtx.lock();
        int data = dq.back();
        dq.pop_back();
        std::cout << "Consumer 消費產品為: " << data << std::endl;
        mtx.unlock();
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(Producer);
    std::thread t2(Consumer);
    t2.join();
    t1.join();
    std::cin.get();
}

程序運行結果如下：

如果讓生產者線程每生產一個產品后休息（sleep） 1s，結果如下：

解釋：該例子中，生產者和消費者分別對應兩個線程。隊列中存在物品時，消費者去消費，否則空循環，一直等待。

缺點：當雙端隊列中沒有物品時，消費者只會原地死等，不會去催。

2 消費者“主動出擊”

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
  
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::vector<int> vec;
int productNum = 5;

void Producer()
{
    for (int i = 1; i <= productNum; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        while (!vec.empty()) {
            cv.wait(lock); // vec 不為空時阻塞當前線程
        }
        vec.push_back(i);
        std::cout << "Producer生產產品: " << i << std::endl;
        cv.notify_all(); // 釋放線程鎖
    }
}

void Consumer()
{
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        while (vec.empty()) {
            cv.wait(lock); // vec 為空時等待線程鎖。其他線程鎖釋放時，當前線程繼續執行
        }
        int data = vec.back();
        vec.pop_back();
        std::cout << "Consumer消費產品: " << data << std::endl;
        cv.notify_all();
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(Producer);
    std::thread t2(Consumer);
    t2.join();
    t1.join();
    std::cin.get();
}