除了thread,boost::thread另一個重要組成部分是mutex,以及工作在mutex上的boost::mutex::scoped_lock、condition和barrier,這些都是為實作線程同步提供的。
mutex
boost提供的mutex有6種:
boost::mutex
boost::try_mutex
boost::timed_mutex
boost::recursive_mutex
boost::recursive_try_mutex
boost::recursive_timed_mutex
下面僅對boost::mutex進行分析。
mutex類是一個CriticalSection(臨界區)封裝類,它在構造函數中建立一個臨界區并InitializeCriticalSection,然後用一個成員變量
void* m_mutex;
來儲存該臨界區結構。
除 此之外,mutex還提供了do_lock、do_unlock等方法,這些方法分别調用EnterCriticalSection、 LeaveCriticalSection來修改成員變量m_mutex(CRITICAL_SECTION結構指針)的狀态,但這些方法都是private的,以防止我們直接對mutex進行鎖操作,所有的鎖操作都必須通過mutex的友元類detail::thread::lock_ops<mutex>來完成,比較有意思的是,lock_ops的所有方法:lock、unlock、trylock等都是static的,如lock_ops<Mutex>::lock的實作:
1 template <typename Mutex>
2 class lock_ops : private noncopyable
3 {
4
5 public:
6 static void lock(Mutex& m)
7 {
8 m.do_lock();
9 }
10
11 }
boost::thread的設計者為什麼會這麼設計呢?我想大概是:
1、boost::thread的設計者不希望被我們直接操作mutex,改變其狀态,是以mutex的所有方法都是private的(除了構造函數,析構函數)。
2、雖然我們可以通過lock_ops來修改mutex的狀态,如:
1 #include <boost/thread/thread.hpp>
2 #include <boost/thread/mutex.hpp>
3 #include <boost/thread/detail/lock.hpp>
5 int main()
6 {
7 boost::mutex mt;
8 //mt.do_lock(); // Error! Can not access private member!
9
10 boost::detail::thread::lock_ops<boost::mutex>::lock(mt);
11
12 return 0;
13 }
但是,這是不推薦的,因為mutex、scoped_lock、condition、barrier是一套完整的類系,它們是互相協同工作的,像上面這麼操作沒有辦法與後面的幾個類協同工作。
scoped_lock
上面說過,不應該直接用lock_ops來操作mutex對象,那麼,應該用什麼呢?答案就是scoped_lock。與存在多種mutex一樣,存在多種與mutex對應的scoped_lock:
scoped_try_lock
scoped_timed_lock
這裡我們隻讨論scoped_lock。
scoped_lock是定義在namespace boost::detail::thread下的,為了友善我們使用(也為了友善設計者),mutex使用了下面的typedef:
typedef detail::thread::scoped_lock<mutex> scoped_lock;
這樣我們就可以通過:
boost::mutex::scoped_lock
來使用scoped_lock類模闆了。
由于scoped_lock的作用僅在于對mutex加鎖/解鎖(即使mutex EnterCriticalSection/LeaveCriticalSection),是以,它的接口也很簡單,除了構造函數外,僅有lock/unlock/locked(判斷是否已加鎖),及類型轉換操作符void*,一般我們不需要顯式調用這些方法,因為scoped_lock的構造函數是這樣定義的:
1 explicit scoped_lock(Mutex& mx, bool initially_locked=true)
2 : m_mutex(mx), m_locked(false)
3 {
4 if (initially_locked) lock();
5 }
注:m_mutex是一個mutex的引用。
是以,當我們不指定initially_locked參數構造一個scoped_lock對象 時,scoped_lock會自動對所綁定的mutex加鎖,而析構函數會檢查是否加鎖,若已加鎖,則解鎖;當然,有些情況下,我們可能不需要構造時自動 加鎖,這樣就需要自己調用lock方法。後面的condition、barrier也會調用scoped_lock的lock、unlock方法來實作部 分方法。
正因為scoped_lock具有可在構造時加鎖,析構時解鎖的特性,我們經常會使用局部變量來實作對mutex的獨占通路。
3 #include <iostream>
5 boost::mutex io_mutex;
6
7 void count() // worker function
8 {
9 for (int i = 0; i < 10; ++i)
10 {
11 boost::mutex::scoped_lock lock(io_mutex);
12 std::cout << i << std::endl;
13 }
14 }
15
16 int main(int argc, char* argv[])
17 {
18 boost::thread thrd1(&count);
19 boost::thread thrd2(&count);
20 thrd1.join();
21 thrd2.join();
22
23 return 0;
24 }
在每次輸出資訊時,為了防止整個輸出過程被其它線程打亂,通過對io_mutex加鎖(進入臨界區),進而保證了輸出的正确性。
在使用 scoped_lock時,我們有時候需要使用全局鎖(定義一個全局mutex,當需要獨占通路全局資源時,以該全局mutex為參數構造一個 scoped_lock對象即可。全局mutex可以是全局變量,也可以是類的靜态方法等),有時候則需要使用對象鎖(将mutex定義成類的成員變 量),應該根據需要進行合理選擇。
Java的synchronized可用于對方法加鎖,對代碼段加鎖,對對象加鎖,對類加鎖(仍然是對象級 的),這幾種加鎖方式都可以通過上面講的對象鎖來模拟;相反,在Java中實作全局鎖好像有點麻煩,必須将請求封裝到類中,以轉換成上面的四種 synchronized形式之一。
condition
condition的接口如下:
1 class condition : private boost::noncopyable // Exposition only
2 {
3 public:
4 // construct/copy/destruct
5 condition();
6 ~condition();
7
8 // notification
9 void notify_one();
10 void notify_all();
12 // waiting
13 template<typename ScopedLock> void wait(ScopedLock&);
14 template<typename ScopedLock, typename Pred> void wait(ScopedLock&, Pred);
15 template<typename ScopedLock>
16 bool timed_wait(ScopedLock&, const boost::xtime&);
17 template<typename ScopedLock, typename Pred>
18 bool timed_wait(ScopedLock&, Pred);
19 };
其中wait用于等待某個condition的發生,而timed_wait則提供具有逾時的wait功能,notify_one用于喚醒一個等待該condition發生的線程,notify_all則用于喚醒所有等待該condition發生的線程。
由于condition的語義相對較為複雜,它的實作也是整個boost::thread庫中最複雜的(對Windows版本而言,對支援pthread的版本而言,由于pthread已經提供了pthread_cond_t,使得condition實作起來也十分簡單),下面對wait和notify_one進行簡要分析。
condition内部包含了一個condition_impl對象,由該對象執行來處理實際的wait、notify_one...等操作。