【Linux】-cp模型

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前言

上一篇博主花了很长时间带大家理解什么是线程，线程的作用，缺点，以及怎么去使用，相信大家已经自己去实践了一下，今天我们就来讲讲线程的一个很常见但也很重要的模型–cp模型，在讲解这个模型之前，博主要先讲解一下条件变量，因为他涉及到同步，一会博主都会详细介绍的，所以大家不用担心，话不多说，我们开始进入正文讲解。

一、线程同步(条件变量)

之前讲解了线程的互斥，简单的理解为对于一份临界资源只允许一个线程可以去访问他，而同步看上去和互斥是相反的词，实际不是的，在上一篇关于线程的讲解第六章节的时候提到多的抢票程序，说到第四点的时候就发现票被同一个线程抢走了，原因是在从线程的时间片内，刚释放锁的线程离该锁最近，别的线程还要唤醒，所以不做任何措施的线程刚释放锁的，就会立马去申请锁，所以我们的操作系统认为这样不好，一个共享资源让一个线程都去占用了，其他线程怎么办，所以就要想办法，你线程如果刚释放锁，就必须去后面排队，不能在去申请锁了。再去申请就会失败。

有了上面的知识铺垫，我们才有了线程同步的概念：在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步，那线程同步怎么做到呢？？　----条件变量。

当一个程序是多线程的，他每次竞争完锁之后都要去后面排队，是哪个后面呢？？我们其中一个线程拥有锁之后，其他线程去申请锁就会失败，从而形成一个等待队列，而刚释放锁的线程，他想申请锁也会失败，所以去等待队列后面去排队，前提是申请锁失败（临界资源不就绪），才会去等待。 当锁被释放后，就要唤醒等待队列中的线程去申请锁，去访问临界资源，让程序继续去执行。

有来上面的讲解，我们知道条件变量必须有两个属性，一个是等待队列，一个是唤醒线程的标志位，我们的条件变量是锁的使用差不多，需要初始化。来看讲解：

我们创建多线程程序，每个线程对全局变量进行有顺序的加加：

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<vector>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int cnt=0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* func(void* arg)
{
   
    uint64_t number = (uint64_t)arg;
    std::cout << "pthread: " << number << " create success" << std::endl;

    while(true)
    {
   
        pthread_mutex_lock(&mutex);
         std::cout << "pthread: " << number<< " ,cnt:" <<cnt++<< std::endl;
        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
       
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
} 
int main()
{
   
    vector<pthread_t> tids;
    pthread_t tid;
    for(uint64_t i=1;i<=4;i++)
    {
   
    //注意：最后一个参数不要传地址进去，因为线程的栈区不是共享的，这会导致后面的线程名都是i=4的。直接传拷贝就可以了。
        pthread_create(&tid,NULL,func,(void*)i);//创建4个线程
        usleep(1000);
    }
    while(true)//让主线程来实现唤醒操作。
    {
   
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&cond);//唤醒一个线程
        //pthread_cond_broadcast(&cond);//唤醒所有线程
        cout<<"主线程唤醒一个线程"<<endl;
      //  cout<<"主线程唤醒所有线程"<<endl;    
    }

    for(auto tid:tids)//主线程进行等待。
    {
   
        pthread_join(tid,NULL);
    }
    return 0;
}

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通过结果来看我们达到了我们想要的效果，来解释程序的代码：

  1. 我们的条件变量也像锁一样需要进行初始化，可以使用函数，也可以使用全局的初始化
    在这里插入图片描述
  2. 使用函数进行初始化就需要使用pthread_cond_destroy()这个函数进行销毁，全局初始化的，则不用，这个和锁的使用是一样的。
  3. 我们的条件变量可以一次唤醒等待队列的一个线程，通常都是队头的，也可以一次唤醒队列中所有的线程。

为什么我们的等待要放在加锁解锁之间？？
先改造我们之前RAII风格的抢票程序，让他变得也有顺序。
我们要加一个条件变量进去：
myticket.hpp:

#pragma once
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

using namespace std;
class mylock
{
   
public:
    mylock(pthread_mutex_t*lock,pthread_cond_t* cond)
        :lock_(lock),cond_(cond)
    {
   }

    void lock()
    {
   
        pthread_mutex_lock(lock_);
    }

    void unlock()
    {
   
        pthread_mutex_unlock(lock_);
    }

    void wait()
    {
   
        pthread_cond_wait(cond_,lock_);
    }
    ~mylock()
    {
   
    }
private:
    pthread_mutex_t* lock_;
    pthread_cond_t* cond_;
};

class lockguard
{
   
public:
    lockguard(pthread_mutex_t*lock,pthread_cond_t* cond)
        :mutex_(lock,cond)
    {
    
        mutex_.lock();
    }
    void wait()
    {
   
        mutex_.wait();
    }
    ~lockguard()
    {
   
        mutex_.unlock();
    }
private:
    mylock mutex_;

};

mythread.cc:

z#include"myticket.hpp"
#define NUM 4
pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
class threadData
{
   
public:
    threadData(int number)
    {
   
        threadname = "thread-" + to_string(number);
    }

public:
    string threadname;
};

int tickets = 100; // 用多线程，模拟一轮抢票

void *getTicket(void *args)
{
   
    threadData *td = static_cast<threadData *>(args);
    const char *name = td->threadname.c_str();
  
    while (true)
    {
   
        lockguard lockg(&lock,&cond);//只在这歌循环里面有效，出作用域就销毁
        if(tickets > 0)
        {
   
            //usleep(100);
            printf("who=%s, get a ticket: %d\n", name, tickets);
            tickets--;
            lockg.wait(); 
        }
        else
            break;

        usleep(13);
    }
    printf("%s ... quit\n", name);
    return nullptr;
}

int main()
{
   

    vector<pthread_t> tids;
    vector<threadData *> thread_datas;
    for (int i = 1; i <= NUM; i++)
    {
   
        pthread_t tid;
        threadData *td = new threadData(i);
        thread_datas.push_back(td);
        pthread_create(&tid, nullptr, getTicket, thread_datas[i - 1]);
        tids.push_back(tid);
        sleep(1);
    }
    while(true) 
    {
   
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&cond); //唤醒在cond的等待队列中等待的一个线程，默认都是第一个
        //pthread_cond_broadcast(&cond);
        std::cout << "signal one thread..." << std::endl;
    }
    for (auto thread : tids)
    {
   
        pthread_join(thread, nullptr);
    }

    for (auto td : thread_datas)
    {
   
        delete td;
    }
    return 0;
}

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通过一开始上面两个程序，我们发现条件变量是可以实现线程同步的，我们的条件变量的操作一种就四个函数，初始化和销毁没啥可讲的，唤醒肯定是由别的线程唤醒的，自己都在等待的不可能自己把自己唤醒的，一会讲解cp问题的时候会更加好理解，我们的最后一个函数就是等待，**我们把线程等待放到了加锁和解锁之间，我们上面说过，当我们申请资源不就绪的时候就会等待成功， 当我是持有锁的时候你让我去等待，那别的线程不就拿不到锁了，不用担心，我们等待函数让持有锁的线程去等待，会自动释放锁的。这个问题解决了，我们为什么去等待，一定是临界资源不就绪了 ,你怎么知道临界资源就绪还是不就绪呢？？是你判断出来的，判断是访问临界资源吗？？答案是的，所以判断必须在加锁之后，这也就导致了等待在加锁和解锁之间。对于第一个和第二个程序，他们的线程申请锁成功，获取到临界资源，他们不去等待而是在他们访问临界资源的时候，然后自己直接去等待，这样别人就可以申请到锁去访问了。 **

二、cp模型

上面说了那么多，我们终于将条件变量讲解完毕了，可以来讲解cp模型，他实际是叫生产者消费者模型，这个模型和我们生活中的案例非常符合，接下来讲解一个小故事带大家理解这个模型。

在这里插入图片描述

在我们日常生活中去的比较多的就是超市了，我们去超市直接去买东西，不需要等产品生产好了在去拿，而超市等商品没有了，直接去生产商去进货，有了超市的存在消费者和生产者之间存在的差异就抵消了，如果我们去生产商进行消费，那我们还要等生产出来才可以拿到，而且一次生产的特别少，这样是不行的。所以这个超市就是生产者和消费者共享的一个地方，让我们消费者和生产可以共同实现同步互斥。

1.模型的优点：
我们通过超市实现了消费者和生产者的忙闲不均。
将生产者和消费者实现了解藕。
支持并发（一会细说）

2.模型内部的关系：
（1）生产者与生产者
他们是互斥关系，多个生产者之间要分别给超市供货，好比同一个货架上已经放了一个生产商的货物，另一个就不能放了，货架多，让我们觉得生产者不是互斥的。所以他们之间要 互斥
（2）消费者与消费者
他们是互斥关系，虽然超市里面好多消费者一起去购物，但是同一个商品只能有一个消费者获得，当商品不足的时候，可能就会有多个消费者去抢同一个商品，所以他们之间要 互斥
（3）生产者与消费者
当我们消费者在进行消费的时候，你生产者过来把自己的商品放上去，那不就把之前的商品给覆盖了吗，万一消费者想要之前的商品不就获取不到了，所以两者要互斥，有一天，我们顾客想要打电话给超市问他方便面有没有，此时一直打不通，原因是我们生产方便面的产家一直给超市打电话，你要不要方便面，导致消费者一直打不进去电话，此时生产者就一直占有超市这个共享资源，所以刚打完电话就不要打了，排队去，五天后在，这样消费者才可以进行消费，所以生产者和消费者也要保持 同步 关系

我们先来实现单生产单消费的模型，然后在改。
对于这个超市，他的作用就是效率高，他的本质大号的缓存空间，今天我们实现的是基于BlockingQueue的生产者消费者模型
所以我们要有一个阻塞队列：
main.cc:

#include"BlockQueue.hpp"

void* Productor(void* arg)
{
   
    BlockQueue<int>*bq=static_cast<BlockQueue<int>*>(arg);
    int data=0;
    while(true)
    {
   
        data++;
        bq->push(data);
        cout<<"生产者生产了数据："<<data<<endl;
        sleep(1);
    }
}
void* Consumer(void* arg)
{
   
    BlockQueue<int>*bq=static_cast<BlockQueue<int>*>(arg);
    while(true)
    {
   
        int data=bq->pop();
        cout<<"消费者消费了数据："<<data<<endl;
    }
}
int main()
{
   
    pthread_t productor;//定义一个生产者线程
    pthread_t consumer;//定义一个消费者线程

    BlockQueue<int>* bq=new BlockQueue<int>();//这是堆区，可以之间传地址的，堆区线程共享，之前是栈区的i
    pthread_create(&productor,nullptr,Consumer,bq);//创建一个消费者线程
    pthread_create(&consumer,nullptr,Productor,bq);//创建一个生产者线程

    //主线程什么事情都不干，监视两个线程就可以，唤醒是两个线程互相唤醒，不像之前讲解的需要主线程来进行唤醒。

    pthread_join(consumer,nullptr);
    pthread_join(productor,nullptr);
    delete bq;
    return 0;
}

BlockQueue.hpp:

#pragma once
#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<queue>
using namespace std;


template<class T>//模板类
class BlockQueue
{
   
    static const int defalutnum = 20;//阻塞队列的大小
public:
    BlockQueue(int maxSize=defalutnum):maxSize(maxSize)
    {
   
        pthread_mutex_init(&lock,nullptr);//给锁进行初始化
        pthread_cond_init(&full,nullptr);//给两个条件变量进行初始化
        pthread_cond_init(&empty,nullptr);

        //控制一个高低，不让一生产就消费，也不让一消费就生产
        lower_water=maxSize/3;
        high_water=maxSize*2/3;
    }



//  为什么wait是放在加锁喝解锁之间的，如果没有判断大家应该怎么理解，线程刚加锁就被放到条件变量下main去等待，那有什么意义，并且是持有锁的情况去放到条件变量等待的，那别人怎么拿到锁呢，原因是wait这个函数将持有锁的线程放到条件变量去等待回自动释放锁
//话说回来，我们刚才不加判断，直接去等待，那么这个加锁就没有意义，那什么时候去等待合适呢？？答案是不符合条件的时候，临界资源不就绪的时候，别人在用，是我们通过if判断出来的，是我们程序员自己知道的，那么我们进行判断的时候是不是也在访问临界资源，就
//注定我们的等待是在加锁和解锁之间的，这个时候大家应该理解等待为什么放在加锁解锁之间了吧。
    T pop()
    {
   
       pthread_mutex_lock(&lock);//接下来要进行访问阻塞队列是临界资源需要加锁
        if(q.empty())//如果队列为空，消费者就不能进行消费，就要进入空的条件变量进行等待
        {
   
            pthread_cond_wait(&empty,&lock);//临界资源不就绪去排队
        }

        T data =q.front();//消费数据
        q.pop();

        if(q.size()<=lower_water) pthread_cond_signal(&full);///消费者消费一个，说明队列肯定不为满，所以唤醒一个生产者
        pthread_mutex_unlock(&lock);//进行解锁，给下一个要访问的线程进行使用
        return data;
    }

    void push(T data)
    {
   
        pthread_mutex_lock(&lock);//接下来要进行访问阻塞队列是临界资源需要加锁
        if(q.size()==maxSize)//如果队列已经满了，生产者就不能进行生产，就要进入满的条件变量进行等待，临界资源不就绪
        {
   
            pthread_cond_wait(&full,&lock);//临界资源不就绪去排队
        }
        q.push(data);//生产数据

        if(q.size()>=high_water) pthread_cond_signal(&empty);//生产者生产一个，说明队列肯定不为空，所以唤醒一个消费者，通过其他线程来唤醒另一个线程。
        pthread_mutex_unlock(&lock);//进行解锁，给下一个要访问的线程进行使用
    }
   
    ~BlockQueue()
    {
   
        //因为锁和条件变量都是全局初始化的，所以需要销毁
        pthread_mutex_destroy(&lock);//销毁锁
        pthread_cond_destroy(&full);//销毁满条件变量
        pthread_cond_destroy(&empty);//销毁空条件变量
    }
private:
    queue<T> q;//阻塞队列，相对于超市
    pthread_mutex_t lock;//定义一把锁
    pthread_cond_t full;//阻塞队列满的时候生产者进行排队的条件变量
    pthread_cond_t empty;//阻塞队列空的时候消费者进行排队的条件变量
    int maxSize;//队列最大值
    int lower_water;
    int high_water;
};

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我们看到效果了，那我们多生产多消费怎么去实现呢，因为只有一把锁，所以我们可以一次创建多生产多消费模型，也可以维护上面三种关系，来看改动的代码：

int main()
{
   
    pthread_t productor;//定义一个生产者线程
    pthread_t consumer;//定义一个消费者线程
    vector<pthread_t> prods;//定义一个生产者线程组
    vector<pthread_t> conss;//定义一个消费者线程组
    BlockQueue<int>* bq=new BlockQueue<int>();//这是堆区，可以之间传地址的，堆区线程共享，之前是栈区的i
    for(uint64_t i=1;i<=4;i++)//创建4个生产者
    {
   
        pthread_create(&productor,nullptr,Consumer,bq);//创建一个生产者线程
        prods.push_back(productor);//将生产者线程放入生产者线程组
    }
    for(uint64_t i=1;i<=4;i++)//创建四个消费者
    {
   
        pthread_create(&consumer,nullptr,Productor,bq);//创建一个消费者线程
        conss.push_back(consumer);//将消费者线程放入消费者线程组
    }
    

    //主线程什么事情都不干，监视两个线程就可以，唤醒是两个线程互相唤醒，不像之前讲解的需要主线程来进行唤醒。
    for(auto i:prods)
    {
   
        pthread_join(i,nullptr);
    }
    for(auto i:conss)
    {
   
        pthread_join(i,nullptr);
    }
    delete bq;
    return 0;
}



#pragma once
#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<queue>
using namespace std;


template<class T>//模板类
class BlockQueue
{
   
    static const int defalutnum = 20;//阻塞队列的大小
public:
    BlockQueue(int maxSize=defalutnum):maxSize(maxSize)
    {
   
        pthread_mutex_init(&lock,nullptr);//给锁进行初始化
        pthread_cond_init(&full,nullptr);//给两个条件变量进行初始化
        pthread_cond_init(&empty,nullptr);

        //控制一个高低，不让一生产就消费，也不让一消费就生产
        // lower_water=maxSize/3;
        // high_water=maxSize*2/3;
    }



//  为什么wait是放在加锁喝解锁之间的，如果没有判断大家应该怎么理解，线程刚加锁就被放到条件变量下main去等待，那有什么意义，并且是持有锁的情况去放到条件变量等待的，那别人怎么拿到锁呢，原因是wait这个函数将持有锁的线程放到条件变量去等待回自动释放锁
//话说回来，我们刚才不加判断，直接去等待，那么这个加锁就没有意义，那什么时候去等待合适呢？？答案是不符合条件的时候，临界资源不就绪的时候，别人在用，是我们通过if判断出来的，是我们程序员自己知道的，那么我们进行判断的时候是不是也在访问临界资源，就
//注定我们的等待是在加锁和解锁之间的，这个时候大家应该理解等待为什么放在加锁解锁之间了吧。
    T pop()
    {
   
       pthread_mutex_lock(&lock);//接下来要进行访问阻塞队列是临界资源需要加锁
        if(q.empty())//如果队列为空，消费者就不能进行消费，就要进入空的条件变量进行等待
        {
   
            pthread_cond_wait(&empty,&lock);//临界资源不就绪去排队
        }

        T data =q.front();//消费数据
        q.pop();
        cout<<"thread_id:"<<pthread_self()<<",消费者消费了数据："<<data<<endl;
        usleep(12);
        if(q.size()!=20) pthread_cond_signal(&full);///消费者消费一个，说明队列肯定不为满，所以唤醒一个生产者
        pthread_mutex_unlock(&lock);//进行解锁，给下一个要访问的线程进行使用
        return data;
    }

   bool push(T data)
    {
   
        pthread_mutex_lock(&lock);//接下来要进行访问阻塞队列是临界资源需要加锁
        if(q.size()==maxSize)//如果队列已经满了，生产者就不能进行生产，就要进入满的条件变量进行等待，临界资源不就绪
        {
   
            pthread_cond_wait(&full,&lock);//临界资源不就绪去排队
        }
        q.push(data);//生产数据
        cout<<"thread_id:"<<pthread_self()<<",生产者生产了数据："<<data<<endl;
        usleep(13);
        if(q.size()!=0) pthread_cond_signal(&empty);//生产者生产一个，说明队列肯定不为空，所以唤醒一个消费者，通过其他线程来唤醒另一个线程。
        pthread_mutex_unlock(&lock);//进行解锁，给下一个要访问的线程进行使用

    }
   
    ~BlockQueue()
    {
   
        //因为锁和条件变量都是全局初始化的，所以需要销毁
        pthread_mutex_destroy(&lock);//销毁锁
        pthread_cond_destroy(&full);//销毁满条件变量
        pthread_cond_destroy(&empty);//销毁空条件变量
    }
private:
    queue<T> q;//阻塞队列，相对于超市
    pthread_mutex_t lock;//定义一把锁
    pthread_cond_t full;//阻塞队列满的时候生产者进行排队的条件变量
    pthread_cond_t empty;//阻塞队列空的时候消费者进行排队的条件变量
    int maxSize;//队列最大值

    // int lower_water;
    // int high_water;
};

在这里插入图片描述

博主未来让大家看的更加清楚，将高低水位线去掉了。

1.1模型的补充

对于cp模型还有几点要补充

  1. 我们的生产商不但要往超市里面放商品，他也要抽时间生产商品，对于这个模型，不止要会放数据到阻塞队列里面，还要会获取数据，一般从网络或者用户去获取，而获取数据也要花时间。
  2. 对于消费者，我们不可能天天来超市消费，等我们买的商品使用完了才去购买，对于模型也一样，我们取到数据，还要进行处理，处理也要花时间。

我们cp模型前面说过效率较高，并发访问，这是为什么？我们只有一把锁，每次只能有一个线程访问阻塞队列，者不是串行访问吗？？确实没错，但是当我们其中一个线程访问时，其他线程在获取数据或者处理数据，这样整体上就实现了并发访问，今天没有合适的场景，但是我么你不嗯呢个忽略cp模型有这个特性

伪唤醒： 重点
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我们看到这个代码分别是生产者和消费者的代码，我们圈住的部分，假设我们的生产者生产了一个数据，此时阻塞队列刚好满了，唤醒消费者去访问了，消费者访问了一个，空出来一个，消费者
又去唤醒生产者去生产，此时消费者采取了从全部唤醒策略，将多个生产者线程都唤醒了，假设三个生产者线程必须重新去申请锁，才可以去访问，没有申请到的两个线程被挂起等待，我们申请锁不是执行上面第一行申请锁的函数，而是在等待函数内部去做的，申请成功返回，继续往下面执行，此时申请到锁的生产者线程生产了一个数据，此时队列又满了，然后去唤醒消费者线程，此时不止有消费者线程去申请锁，还有刚才两个被挂起的生产者线程也等着申请锁呢，万一此时其中一个申请到锁，在往里面插数据，就会导致益处，显然这样是不行的，所以我们不能使用if判断，而是要使用while判断。

2.2 案例演示

我们刚才写的是整形，接下来写一个计算器，你发数据，我给你处理数据，就可以完成任务的派发:
Task.hpp:

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>

std::string opers="+-*/%";

enum{
   
    DivZero=1,
    ModZero,
    Unknown
};

class Task
{
   
public:
    Task(int x, int y, char op) : data1_(x), data2_(y), oper_(op), result_(0), exitcode_(0)
    {
   
    }
    void run()
    {
   
        switch (oper_)
        {
   
        case '+':
            result_ = data1_ + data2_;
            break;
        case '-':
            result_ = data1_ - data2_;
            break;
        case '*':
            result_ = data1_ * data2_;
            break;
        case '/':
            {
   
                if(data2_ == 0) exitcode_ = DivZero;
                else result_ = data1_ / data2_;
            }
            break;
        case '%':
           {
   
                if(data2_ == 0) exitcode_ = ModZero;
                else result_ = data1_ % data2_;
            }            break;
        default:
            exitcode_ = Unknown;
            break;
        }
    }
    void operator ()()
    {
   
        run();
    }
    std::string GetResult()
    {
   
        std::string r = std::to_string(data1_);
        r += oper_;
        r += std::to_string(data2_);
        r += "=";
        r += std::to_string(result_);
        r += "[code: ";
        r += std::to_string(exitcode_);
        r += "]";

        return r;
    }
    std::string GetTask()
    {
   
        std::string r = std::to_string(data1_);
        r += oper_;
        r += std::to_string(data2_);
        r += "=?";
        return r;
    }
    ~Task()
    {
   
    }

private:
    int data1_;
    int data2_;
    char oper_;

    int result_;
    int exitcode_;

};

大家下去自己去看看这个是怎么去运行的，把模版改一下。

2.3 CP模型记忆

我们上面说了CP模型是三种关系，两个角色，一个交易场所，所以我们采用321原则去记忆。

总结

对于CP模型，可以让我们更好是使用多线程去观察一些现象，也可以更好展示条件变量的作用，希望大家下去多去联系，这篇就讲解到这里了，下篇我们开始讲解信号量。

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