C++中的多线程生产者/消费者

Question

我正在研究多线程并编写了一个基本的生产者/消费者。我对下面写的生产者/消费者有两个问题。 1）即使将消费者睡眠时间设置为低于生产者睡眠时间，生产者似乎仍然执行得更快。 2）在消费者中，我复制了生产者完成添加到队列中的代码，但队列中仍有元素。对于构建代码的更好方法有什么建议吗？

#include <iostream>
#include <queue>
#include <mutex>

class App {
private:
    std::queue<int> m_data;
    bool m_bFinished;
    std::mutex m_Mutex;
    int m_ConsumerSleep;
    int m_ProducerSleep;
    int m_QueueSize;
public:
    App(int &MaxQueue) :m_bFinished(false), m_ConsumerSleep(1), m_ProducerSleep(5), m_QueueSize(MaxQueue){}
    void Producer() {

        for (int i = 0; i < m_QueueSize; ++i) {
            std::lock_guard<std::mutex> guard(m_Mutex);
            m_data.push(i); 
            std::cout << "Producer Thread, queue size: " << m_data.size() << std::endl;
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(m_ProducerSleep));
        }
        m_bFinished = true;
    }

    void Consumer() {
        while (!m_bFinished) {
            if (m_data.size() > 0) {
                std::lock_guard<std::mutex> guard(m_Mutex);
                std::cout << "Consumer Thread, queue element: " << m_data.front() << " size: " << m_data.size() << std::endl;
                m_data.pop();
            }
            else {
                std::cout << "No elements, skipping" << std::endl;
            }
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(m_ConsumerSleep));
        }
        while (m_data.size() > 0) {
            std::lock_guard<std::mutex> guard(m_Mutex);
            std::cout << "Emptying remaining elements " << m_data.front() << std::endl;
            m_data.pop();
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(m_ConsumerSleep));
        }
    }

};


int main()
{
    int QueueElements = 10;
    App app(QueueElements);
    std::thread consumer_thread(&App::Consumer, &app);
    std::thread producer_thread(&App::Producer, &app);

    producer_thread.join();
    consumer_thread.join();


    std::cout << "loop exited" << std::endl;
    return 0;
}

Answer 1

您应该使用condition_variable。不要对线程使用睡眠。

主要方案： Producer 将 value 推入 lock 并发出 condition_variable 信号。

消费者在条件变量的锁定下等待并检查谓词以防止虚假唤醒。

我的版本：

#include <iostream>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <atomic>

class App {
private:
    std::queue<int> m_data;
    std::atomic_bool m_bFinished;
    std::mutex m_Mutex;
    std::condition_variable m_cv;
    int m_QueueSize;
public:
    App(int MaxQueue) 
        : m_bFinished(false)
        , m_QueueSize(MaxQueue) 
    {}

    void Producer()
    {
        for (int i = 0; i < m_QueueSize; ++i) 
        {
            {
                std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex);
                m_data.push(i); 
            }
            m_cv.notify_one();
            std::cout << "Producer Thread, queue size: " << m_data.size() << std::endl;
        }
        m_bFinished = true;
    }

    void Consumer() 
    {
        do
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m_Mutex);
            while (m_data.empty())
            {
                m_cv.wait(lock, [&](){ return !m_data.empty(); }); // predicate an while loop - protection from spurious wakeups
            }
            while(!m_data.empty()) // consume all elements from queue
            {
                std::cout << "Consumer Thread, queue element: " << m_data.front() << " size: " << m_data.size() << std::endl;
                m_data.pop();
            }
        } while(!m_bFinished);
    }
};


int main()
{
    int QueueElements = 10;
    App app(QueueElements);
    std::thread consumer_thread(&App::Consumer, &app);
    std::thread producer_thread(&App::Producer, &app);

    producer_thread.join();
    consumer_thread.join();

    std::cout << "loop exited" << std::endl;
    return 0;
}

另外注意，当你处理并发线程时，最好使用atomic作为结束标志，因为理论上m_bFinished的值将存储在缓存行中，如果没有缓存失效生产者线程，从消费者线程看不到更改的值。 Atomics 具有内存栅栏，可以保证该值将为其他线程更新。

您也可以查看memory_order 页面。

Answer 2

首先，您应该使用条件变量而不是消费者的延迟。这样，消费者线程只有在队列不为空并由生产者通知时才会唤醒。

也就是说，您的生产者调用更频繁的原因是生产者线程的延迟。它是在持有互斥锁的同时执行的，因此消费者在延迟结束之前永远不会执行。你应该在调用sleep_for之前释放互斥锁：

for (int i = 0; i < m_QueueSize; ++i) {
            /* Introduce a scope to release the mutex before sleeping*/
            {
               std::lock_guard<std::mutex> guard(m_Mutex);
                m_data.push(i); 
                std::cout << "Producer Thread, queue size: " << m_data.size() << std::endl;
            } // Mutex is released here
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(m_ProducerSleep));
        }