boost::thread简要分析（2）：线程同步

除了thread，boost::thread另一个重要组成部分是mutex，以及工作在mutex上的boost::mutex::scoped_lock、condition和barrier，这些都是为实现线程同步提供的。

mutex
boost提供的mutex有6种：
boost::mutex
boost::try_mutex
boost::timed_mutex
boost::recursive_mutex
boost::recursive_try_mutex
boost::recursive_timed_mutex
下面仅对boost::mutex进行分析。
mutex类是一个CriticalSection（临界区）封装类，它在构造函数中新建一个临界区并InitializeCriticalSection，然后用一个成员变量
void* m_mutex;
来保存该临界区结构。
除此之外，mutex还提供了do_lock、do_unlock等方法，这些方法分别调用EnterCriticalSection、LeaveCriticalSection来修改成员变量m_mutex（CRITICAL_SECTION结构指针）的状态，但这些方法都是private的，以防止我们直接对mutex进行锁操作，所有的锁操作都必须通过mutex的友元类detail::thread::lock_ops<mutex>来完成，比较有意思的是，lock_ops的所有方法：lock、unlock、trylock等都是static的，如lock_ops<Mutex>::lock的实现：
template <typename Mutex>
class lock_ops : private noncopyable
{
...
public:
    static void lock(Mutex& m)
    {
        m.do_lock();
    }
...
}
boost::thread的设计者为什么会这么设计呢？我想大概是：
1、boost::thread的设计者不希望被我们直接操作mutex，改变其状态，所以mutex的所有方法都是private的（除了构造函数，析构函数）。
2、虽然我们可以通过lock_ops来修改mutex的状态，如：
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <boost/thread/detail/lock.hpp>

int main()
{
    boost::mutex mt;
    //mt.do_lock();        // Error! Can not access private member!

    boost::detail::thread::lock_ops<boost::mutex>::lock(mt);

    return 0;
}
但是，这是不推荐的，因为mutex、scoped_lock、condition、barrier是一套完整的类系，它们是相互协同工作的，像上面这么操作没有办法与后面的几个类协同工作。

scoped_lock
上面说过，不应该直接用lock_ops来操作mutex对象，那么，应该用什么呢？答案就是scoped_lock。与存在多种mutex一样，存在多种与mutex对应的scoped_lock：
scoped_lock
scoped_try_lock
scoped_timed_lock
这里我们只讨论scoped_lock。
scoped_lock是定义在namespace boost::detail::thread下的，为了方便我们使用（也为了方便设计者），mutex使用了下面的typedef：
typedef detail::thread::scoped_lock<mutex> scoped_lock;
这样我们就可以通过：
boost::mutex::scoped_lock
来使用scoped_lock类模板了。
由于scoped_lock的作用仅在于对mutex加锁/解锁（即使mutex EnterCriticalSection/LeaveCriticalSection），因此，它的接口也很简单，除了构造函数外，仅有lock/unlock/locked（判断是否已加锁），及类型转换操作符void*，一般我们不需要显式调用这些方法，因为scoped_lock的构造函数是这样定义的：
explicit scoped_lock(Mutex& mx, bool initially_locked=true)
    : m_mutex(mx), m_locked(false)
{
    if (initially_locked) lock();
}
注：m_mutex是一个mutex的引用。
因此，当我们不指定initially_locked参数构造一个scoped_lock对象时，scoped_lock会自动对所绑定的mutex加锁，而析构函数会检查是否加锁，若已加锁，则解锁；当然，有些情况下，我们可能不需要构造时自动加锁，这样就需要自己调用lock方法。后面的condition、barrier也会调用scoped_lock的lock、unlock方法来实现部分方法。
正因为scoped_lock具有可在构造时加锁，析构时解锁的特性，我们经常会使用局部变量来实现对mutex的独占访问。如thread部分独占访问cout的例子：
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <iostream>

boost::mutex io_mutex;

void count()    // worker function
{
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        boost::mutex::scoped_lock lock(io_mutex);
        std::cout << i << std::endl;
    }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    boost::thread thrd1(&count);
    boost::thread thrd2(&count);
    thrd1.join();
    thrd2.join();

    return 0;
}
在每次输出信息时，为了防止整个输出过程被其它线程打乱，通过对io_mutex加锁（进入临界区），从而保证了输出的正确性。
在使用scoped_lock时，我们有时候需要使用全局锁（定义一个全局mutex，当需要独占访问全局资源时，以该全局mutex为参数构造一个scoped_lock对象即可。全局mutex可以是全局变量，也可以是类的静态方法等），有时候则需要使用对象锁（将mutex定义成类的成员变量），应该根据需要进行合理选择。
Java的synchronized可用于对方法加锁，对代码段加锁，对对象加锁，对类加锁（仍然是对象级的），这几种加锁方式都可以通过上面讲的对象锁来模拟；相反，在Java中实现全局锁好像有点麻烦，必须将请求封装到类中，以转换成上面的四种synchronized形式之一。

condition
condition的接口如下：
class condition : private boost::noncopyable   // Exposition only
{
public:
  // construct/copy/destruct
  condition();
  ~condition();

  // notification
  void notify_one();
  void notify_all();

  // waiting
  template<typename ScopedLock> void wait(ScopedLock&);
  template<typename ScopedLock, typename Pred> void wait(ScopedLock&, Pred);
  template<typename ScopedLock>
    bool timed_wait(ScopedLock&, const boost::xtime&);
  template<typename ScopedLock, typename Pred>
    bool timed_wait(ScopedLock&, Pred);
};
其中wait用于等待某个condition的发生，而timed_wait则提供具有超时的wait功能，notify_one用于唤醒一个等待该condition发生的线程，notify_all则用于唤醒所有等待该condition发生的线程。

由于condition的语义相对较为复杂，它的实现也是整个boost::thread库中最复杂的（对Windows版本而言，对支持pthread的版本而言，由于pthread已经提供了pthread_cond_t，使得condition实现起来也十分简单），下面对wait和notify_one进行简要分析。
condition内部包含了一个condition_impl对象，由该对象执行来处理实际的wait、notify_one...等操作。

下面先对condition_impl进行简要分析。
condition_impl在其构造函数中会创建两个Semaphore（信号量）：m_gate、m_queue，及一个Mutex（互斥体，跟boost::mutex类似，但boost::mutex是基于CriticalSection<临界区>的）：m_mutex，其中：
m_queue
相当于当前所有等待线程的等待队列，构造函数中调用CreateSemaphore来创建Semaphore时，lMaximumCount参数被指定为(std::numeric_limits<long>::max)()，即便如此，condition的实现者为了防止出现大量等待线程的情况（以至于超过了long的最大值），在线程因执行condition::wait进入等待状态时会先：
WaitForSingleObject(reinterpret_cast<HANDLE>(m_queue), INFINITE);
以等待被唤醒，但很难想象什么样的应用需要处理这么多线程。
m_mutex
用于内部同步的控制。
但对于m_gate我很奇怪，我仔细研究了一下condition_imp的实现，还是不明白作者引入m_gate这个变量的用意何在，既然已经有了用于同步控制的m_mutex，再引入一个m_gate实在让我有点不解。

以下是condition::wait调用的do_wait方法简化后的代码：
template <typename M>
void do_wait(M& mutex)
{
    m_impl.enter_wait();
    lock_ops::unlock(mutex, state);    //对传入的scoped_lock对象解锁，以便别的线程可以对其进行加锁，并执行某些处理，否则，本线程等待的condition永远不会发生（因为没有线程可以获得访问资源的权利以使condition发生）
    m_impl.do_wait();    //执行等待操作，等待其它线程执行notify_one或notify_all操作以获得
    lock_ops::lock(mutex, state);    //重新对scoped_lock对象加锁，获得独占访问资源的权利
}
condition::timed_wait的实现方法与此类似，而notify_one、notify_all仅将调用请求转发给m_impl，就不多讲了。

虽然condition的内部实现比较复杂，但使用起来还是比较方便的。下面是一个使用condition的多Producer-多Consumer同步的例子（这是本人为即将推出的“大卫的Design Patterns学习笔记”编写的Mediator模式的示例）：
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <boost/thread/condition.hpp>
#include <boost/thread/xtime.hpp>

#include <iostream>
#include <time.h> // for time()

#include <Windows.h>    // for Sleep, change it for other platform, we can use
                        // boost::thread::sleep, but it's too inconvenient.

typedef boost::mutex::scoped_lock scoped_lock;
boost::mutex io_mutex;

class Product
{
    int num;
public:
    Product(int num) : num(num) {}

    friend std::ostream& operator<< (std::ostream& os, Product& product)
    {
        return os << product.num;
    }
};

class Mediator
{
private:
    boost::condition cond;
    boost::mutex mutex;

    Product** pSlot;    // product buffer/slot
    unsigned int slotCount,    // buffer size
        productCount; // current product count
    bool stopFlag;    // should all thread stop or not

public:
    Mediator(const int slotCount) : slotCount(slotCount), stopFlag(false), productCount(0)
    {
        pSlot = new Product*[slotCount];
    }

    virtual ~Mediator()
    {
        for (int i = 0; i < static_cast<int>(productCount); i++)
        {
            delete pSlot[i];
        }
        delete [] pSlot;
    }

    bool Stop() const { return stopFlag; }
    void Stop(bool) { stopFlag = true; }

    void NotifyAll()    // notify all blocked thread to exit
    {
        cond.notify_all();
    }

    bool Put( Product* pProduct)
    {
        scoped_lock lock(mutex);
        if (productCount == slotCount)
        {
            {
                scoped_lock lock(io_mutex);
                std::cout << "Buffer is full. Waiting..." << std::endl;
            }
            while (!stopFlag && (productCount == slotCount))
                cond.wait(lock);
        }
        if (stopFlag) // it may be notified by main thread to quit.
            return false;

        pSlot[ productCount++ ] = pProduct;
        cond.notify_one();    // this call may cause *pProduct to be changed if it wakes up a consumer

        return true;
    }

    bool Get(Product** ppProduct)
    {
        scoped_lock lock(mutex);
        if (productCount == 0)
        {
            {
                scoped_lock lock(io_mutex);
                std::cout << "Buffer is empty. Waiting..." << std::endl;
            }
            while (!stopFlag && (productCount == 0))
                cond.wait(lock);
        }
        if (stopFlag) // it may be notified by main thread to quit.
        {
            *ppProduct = NULL;
            return false;
        }

        *ppProduct = pSlot[--productCount];
        cond.notify_one();

        return true;
    }
};

class Producer
{
private:
    Mediator* pMediator;
    static unsigned int num;
    unsigned int id;    // Producer id

public:
    Producer(Mediator* pMediator) : pMediator(pMediator) { id = num++; }

    void operator() ()
    {
        Product* pProduct;
        srand( (unsigned)time( NULL ) + id );    // each thread need to srand differently
        while (!pMediator->Stop())
        {
            pProduct = new Product( rand() % 100 );
            // must print product info before call Put, as Put may wake up a consumer
            // and cause *pProuct to be changed
            {
                scoped_lock lock(io_mutex);
                std::cout << "Producer[" << id << "] produces Product["
                    << *pProduct << "]" << std::endl;
            }
            if (!pMediator->Put(pProduct))    // this function only fails when it is notified by main thread to exit
                delete pProduct;

            Sleep(100);
        }
    }
};

unsigned int Producer::num = 1;

class Consumer
{
private:
    Mediator* pMediator;
    static unsigned int num;
    unsigned int id;    // Consumer id

public:
    Consumer(Mediator* pMediator) : pMediator(pMediator) { id = num++; }

    void operator() ()
    {
        Product* pProduct = NULL;
        while (!pMediator->Stop())
        {
            if (pMediator->Get(&pProduct))
            {
                scoped_lock lock(io_mutex);
                std::cout << "Consumer[" << id << "] is consuming Product["
                    << *pProduct << "]" << std::endl;
                delete pProduct;
            }

            Sleep(100);
        }
    }
};

unsigned int Consumer::num = 1;

int main()
{
    Mediator mediator(2);    // we have only 2 slot to put products

    // we have 2 producers
    Producer producer1(&mediator);
    boost::thread thrd1(producer1);
    Producer producer2(&mediator);
    boost::thread thrd2(producer2);
    // and we have 3 consumers
    Consumer consumer1(&mediator);
    boost::thread thrd3(consumer1);
    Consumer consumer2(&mediator);
    boost::thread thrd4(consumer2);
    Consumer consumer3(&mediator);
    boost::thread thrd5(consumer3);

    // wait 1 second
    Sleep(1000);
    // and then try to stop all threads
    mediator.Stop(true);
    mediator.NotifyAll();

    // wait for all threads to exit
    thrd1.join();
    thrd2.join();
    thrd3.join();
    thrd4.join();
    thrd5.join();

    return 0;
}

barrier
barrier类的接口定义如下：
class barrier : private boost::noncopyable   // Exposition only
{
public:
  // construct/copy/destruct
  barrier(size_t n);
  ~barrier();

  // waiting
  bool wait();
};
barrier类为我们提供了这样一种控制线程同步的机制：
前n - 1次调用wait函数将被阻塞，直到第n次调用wait函数，而此后第n + 1次到第2n - 1次调用wait也会被阻塞，直到第2n次调用，依次类推。
barrier::wait的实现十分简单：
barrier::barrier(unsigned int count)
    : m_threshold(count), m_count(count), m_generation(0)
{
    if (count == 0)
        throw std::invalid_argument("count cannot be zero.");
}

bool barrier::wait()
{
    boost::mutex::scoped_lock lock(m_mutex);    // m_mutex is the base of barrier and is initilized by it's default constructor.
    unsigned int gen = m_generation;    // m_generation will be 0 for call 1~n-1, and 1 for n~2n - 1, and so on...

    if (--m_count == 0)
    {
        m_generation++;    // cause m_generation to be changed in call n/2n/...
        m_count = m_threshold;    // reset count
        m_cond.notify_all();    // wake up all thread waiting here
        return true;
    }

    while (gen == m_generation)    // if m_generation is not changed, lock current thread.
        m_cond.wait(lock);
    return false;
}
因此，说白了也不过是mutex的一个简单应用。
以下是一个使用barrier的例子：
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/barrier.hpp>

int i = 0;
boost::barrier barr(3);    // call barr.wait 3 * n times will release all threads in waiting

void thread()
{
    ++i;
    barr.wait();
}

int main()
{
    boost::thread thrd1(&thread);
    boost::thread thrd2(&thread);
    boost::thread thrd3(&thread);

    thrd1.join();
    thrd2.join();
    thrd3.join();

    return 0;
}
如果去掉其中thrd3相关的代码，将使得线程1、2一直处于wait状态，进而使得主线程无法退出。

xtime
xtime是boost::thread中用来表示时间的一个辅助类，它是一个仅包含两个成员变量的结构体：
struct xtime
{
//...
    xtime_sec_t sec;
    xtime_nsec_t nsec;
};
condition::timed_wait、thread::sleep等涉及超时的函数需要用到xtime。
需要注意的是，xtime表示的不是一个时间间隔，而是一个时间点，因此使用起来很不方便。为了方便使用xtime，boost提供了一些辅助的xtime操作函数，如xtime_get、xtime_cmp等。
以下是一个使用xtime来执行sleep的例子（跟简单的一句Sleep比起来，实在是太复杂了），其中用到了xtime初始化函数xtime_get：
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/xtime.hpp>
#include <iostream>

int main()
{
    boost::xtime xt;
    boost::xtime_get(&xt, boost::TIME_UTC);    // initialize xt with current time
    xt.sec += 1;    // change xt to next second
    boost::thread::sleep(xt);    // do sleep

    std::cout << "1 second sleep over." << std::endl;

    return 0;
}

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