隨筆之POSIX cond和Windows同步對象Event的討論

 

一 原因

最近在實現一個線程池的時候，須要用到POSIX中的cond和mutex進行線程間等待和同步，功能相似MS的同步對象Event。

發現cond和mutex的連用仍是挺不人性化的。說實話，MS在同步對象的API上，作得仍是至關不錯，文檔也很清晰。

Anyway，既然只能使用POSIX，就只能將就了。

我這個線程池在實現中碰到如下2個問題：

1 有n個線程等待一個事件。當有任務添加的時候，須要觸發其中一個線程啓動。

2 當線程池退出時，我須要觸發全部線程啓動，並檢測退出標誌，從而退出線程循環。

這個問題其實比初看上去要複雜，下面來分析

二 Windows上的實現

先介紹下Event同步對象，

HANDLE CreateEvent(
  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes, // pointer to security attributes
  BOOL bManualReset,  // flag for manual-reset event
  BOOL bInitialState, // flag for initial state
  LPCTSTR lpName      // pointer to event-object name
);
第二個參數：bManualReset表示該對象爲人工仍是自動變量。咱們重點就是討論這個，該值決定如下幾個特色：

• 當Event爲人工變量時，一旦被觸發，則一直保持觸發狀態，觸發調用ResetEvent重置狀態。假設該值被觸發，那麼調用WaitXXX函數的全部線程都不該該阻塞在該事件上。
• 當Event爲自動變量時，一旦被觸發，若是有線程在等，那麼只會啓動其中一個線程（只會啓動一個線程，由於該值在啓動一個線程後會重置）。若是沒有線程在等，那麼該值一直保持觸發狀態

從上面Event的介紹來看，自動變量一次觸發一個線程，而人工變量一直保持觸發狀態。不過系統並無說若是一個線程很快SetEvent並又ResetEvent的話，Wait的線程會如何。

 

咱們先看看在MS平臺上該如何解決上面的問題：

最廣泛的方法就是：

1 建立一個Auto的Event，這個Event用來觸發工做線程從任務隊列中獲取任務

2 建立一個Manual的Event，這個Event用來觸發全部工做線程退出

而後利用WaitForMultiObject來等待這兩個Event。

Problem solved!!

三 Linux的實現

Linux上最大的問題是沒有WaitForMultiObject這樣的函數，那麼咱們只能建立一個包含Mutex和Cond的結構體來充當Event

因爲cond的觸發有兩個函數，特性分別是：

• pthread_cond_signal：保證多個線程調用pthread_cond_wait等待的時候只有一個線程可以返回。
• pthread_cond_broadcast：保證多個線程等待的時候，都能返回。

咱們在使用cond實現類型的觸發和等待的時候，代碼常常以下所示：

void Wake(allThreads?)

{

   Mutex lock

   set condition = 1;

  if(allThreads)

    pthread_cond_broadcast  //觸發全部線程

else

   pthread_cond_signal  //觸發單個線程

   Mutex unlock

}

void Wait()

{

   Mutex lock

  while(condition != 1)

   {

      pthread_cond_wait(cond,&mutex); //cond的wait須要傳入一個Mutex作參數，wait函數內部會unlock這個mutex

   }

   Mutex unlock

}

 

爲何在Wait的時候須要有一個while循環來檢測condition是否知足條件呢？最主要有兩個緣由：

• cond自己的機制致使。若是cond觸發（不管是signal仍是broadcast）的時候，沒有線程在wait的話，那麼線程之後wait將沒法捕獲這個觸發。這和Windows的Event大相徑庭。自動變量的Event若是觸發後，即便當時沒有線程在等待，若是之後有線程等待的話，那麼也是能夠返回的。而posix的cond沒有實現這個功能。因此咱們只能本身加condition來作判斷。若是condition爲1，則無需等待。
• pthread_cond_wait的返回有多是由於信號的緣由致使，這個時候conditon並不知足，因此這裏也須要一個while循環

根據上面的基礎知識，咱們目前已知足的是：

• cond_signal能而且只能觸發一個線程起來
• cond_broadcast能觸發全部線程起來

可是問題隨之而來，由於如今只有一個condition，何時置爲零呢？必須知足兩個條件：

• 對於觸發單個線程的來講，由於只有一個啓動，因此當它啓動後，須要把condtion置爲零，表示本身已經消費了這個條件。
• 對於全部啓動的來講，只有最後一個線程退出等待的時候須要把conditon置爲零，表示全部人都消費了這個條件。

解決辦法就是使用waiter計數，最終修改後的代碼以下：

void Wake(allThreads?)

{

   Mutex lock

   if(condtion == -1 || condition == 1)  //爲何要加這樣的判斷？

     {

       Mutex unlock

       return;

     }

    if(allThreads)

  {

    set condition = -1; //表示等待多個

     pthread_cond_broadcast  //觸發全部線程

  }

else

{

   set condition = 1;

    pthread_cond_signal  //觸發單個線程

}

   Mutex unlock

}

void Wait()

{

   Mutex lock

  ++waiters;

  while(condition == 0)

   {

      pthread_cond_wait(cond,&mutex); //cond的wait須要傳入一個Mutex作參數，wait函數內部會unlock這個mutex

   }

  if(--waiters == 0)

     condition = 0;

 

   Mutex unlock

}

咱們能夠捋一下各類case：

• 只觸發單個線程的話，沒有問題。這個是最簡單的。
• 觸發多個線程的話，若是在觸發後而且在舊的等待線程未所有返還以前，若是又有新線程調用wait的話，其實是不會被阻塞的。

Wake函數前面紅色字體的代碼幹什麼用？

就怕調用者先調用了Wake(true)，旋即又調用了Wake(false)，致使condtion值混亂。經過判斷condition是否已經觸發，咱們能夠避免出問題。

 

四：結論

POSIX的cond和mutex聯合使用，總感受效率上會有損失。由於cond_wait返還後仍是須要競爭mutex，實際上Wait函數在用戶空間是串行執行的。

不知道Windows的Event是如何實現的？

上面的代碼應該還不是很完善，有問題再修改，不知道您看出什麼毛病了嗎？