如何在 C++11 中正确解决生产者消费者

Question

我正在尝试解决 C++11 中的生产者消费者问题。 我有一个保存资源的对象，多个线程可以 添加或消耗这些资源。我的问题是当我尝试实施 该对象上的“可用时使用”方法。 请假设插入/删除操作非常复杂。

代码中逻辑的一点解释。

struct ResourceManager{
  std::mutex mux;
  std::unique_lock lock{mux};
  std::condition_variable bell;

  void addResource(/*some Resource*/){
    lock.lock();
    //add resource
    lock.unlock();
    bell.notify_one(); //notifies waiting consumer threads to consume
  }

  T getResource(){
    while(true){
      lock.lock();
      if(/*resource is available*/){
        //remove resource from the object
        lock.unlock();
        return resource;
      }else{
        //new unique lock mutex object wmux creation
        lock.unlock(); //problem line
        bell.wait(wmux); //waits until addResource rings the bell
        continue;
      }
    }
  }

};

假设以下场景：
- 两个线程，T1，T2，几乎同时调用addResource，getResource。

-T2 锁定互斥体，发现没有更多可用资源，
所以它必须阻塞，直到有新资源可用。
所以它解锁互斥锁并设置铃声等待。

-T1 运行匹配更快。当互斥锁解锁时，
它立即添加资源，并在 T2 设置等待铃之前，
T1已经按门铃了，没有人通知。

-T2 无限期等待铃声响起，但不会添加更多资源。

我假设锁定互斥锁的线程可能是唯一的 解锁它。因此，如果我在解锁互斥锁之前尝试调用 bell.wait， 互斥锁永远无法解锁。

如果可能，我想使用不等待时间或多次检查的解决方案。
那么在 C++11 中我可以通过哪种方式解决这个问题呢？

Answer 1

    lock.unlock(); //problem line
    bell.wait(wmux); //waits until addResource rings the bell

是的，这确实是问题所在。

要按设计正确使用条件变量，您不要在wait()ing 对其相关条件变量之前解锁互斥锁。条件变量上的wait()ing 在等待期间自动解锁它，并在线程被notify()-ed 后重新获取互斥锁。 unlock-and-wait 和 wake-up-after-being-notified-and-lock 都是原子操作。

Allnotify()s 应该在互斥锁被锁定时发出。所有wait() 也在互斥锁完全锁定时完成。鉴于notify()，正如我所提到的，是原子的，这导致所有与互斥锁相关的操作都是原子的和完全排序的，包括管理受互斥锁保护的资源，以及通过条件变量进行线程通知，现在受互斥锁保护也是。

有些设计模式可以在不使用互斥保护的情况下通知条件变量。但是它们更难正确实现并且仍然实现线程安全语义。除了互斥锁保护的所有其他内容之外，让所有条件变量操作也受互斥锁保护，实现起来要简单得多。

Answer 2

std::condition_variable::wait 需要在您的互斥体上传递一个锁定的std::unique_lock。 wait 将解锁互斥锁作为其操作的一部分，并在它返回之前重新锁定它。

使用像std::lock_guard 和std::unique_lock 这样的锁守卫的正常方法是在本地构造它们，并让它们的构造函数锁定您的互斥体，而它们的析构函数将其解锁。

此外，您可以通过为std::condition_variable::wait 提供谓词来避免原始代码中的外部while 循环。

struct ResourceManager {
  std::mutex mux;
  std::condition_variable bell;

  void addResource(T resource)
  {
    std::lock_guard<std::mutex> lock{mux};
    // Add the resource
    bell.notify_one();
  }

  T getResource()
  {
     std::unique_lock<std::mutex> lock{mux};
     bell.wait(lock, [this](){ return resourceIsAvailable(); });
     return // the ressource
  }
};