Применение очереди для передачи данных между потоками (как в листинге 4.1) — весьма распространенный прием. При правильной реализации синхронизацию можно ограничить только самой очередью, что уменьшает количество потенциальных проблем и состояний гонки. Поэтому покажем, как на основе листинга 4.1 построить обобщенную потокобезопасную очередь.
4.1.2. Потокобезопасная очередь на базе условных переменных
Приступая к проектированию обобщенной очереди, стоит потратить некоторое время на обдумывание того, какие понадобятся операции. Именно так мы подходили к разработке потокобезопасного стека в разделе 3.2.3. Возьмем в качестве образца адаптер контейнера std::queue<> из стандартной библиотеки С++, интерфейс которого показан в листинге ниже.
Листинг 4.2. Интерфейс класса std::queue
template <class T, class Container = std::deque<T>>
class queue {
public:
explicit queue(const Container&);
explicit queue(Container&& = Container());
template <class Alloc> explicit queue(const Alloc&);
template <class Alloc> queue(const Container&, const Alloc&);
template <class Alloc> queue(Container&&, const Alloc&);
template <class Alloc> queue(queue&&, const Alloc&);
void swap(queue& q);
bool empty() const;
size_type size() const;
T& front();
const T& front() const;
T& back();
const T& back() const;
void push(const T& x);
void push(T&& x);
void pop();
template <class... Args> void emplace(Args&&... args);
};
Если не обращать внимания на конструирование, присваивание и обмен, то останется три группы операций: опрос состояния очереди в целом (empty() и size()), опрос элементов очереди (front() и back()) модификация очереди (push(), pop() и emplace()). Ситуация аналогична той, что мы видели в разделе 3.2.3 для стека, поэтому возникают те же — внутренне присущие интерфейсу — проблемы с гонкой. Следовательно, front() и pop() необходимо объединить в одной функции — точно так же, как мы постудили с top() и pop() в случае стека. Но в коде в листинге 4.1 есть дополнительный нюанс: если очередь используется для передачи данных между потоками, то поток-получатель часто будет ожидать поступления данных. Поэтому включим два варианта pop(): try_pop() пытается извлечь значение из очереди, но сразу возвращает управление (с указанием ошибки), если в очереди ничего не было, a wait_and_pop() ждет, когда появятся данные. Взяв за образец сигнатуры функций из примера стека, представим интерфейс в следующем виде:
Листинг 4.3. Интерфейс класса threadsafe_queue
#include <memory>
template<typename T>
class threadsafe_queue {
public:
threadsafe_queue();
threadsafe_queue(const threadsafe_queue&);
threadsafe_queue& operator=(
const threadsafe_queue&) = delete; ←┐
Для простоты
void push(T new_value); │
запрещаем присваивание
bool try_pop(T& value); ←
(1)
std::shared_ptr<T> try_pop(); ←
(2)
void wait_and_pop(T& value);
std::shared_ptr<T> wait_and_pop();
bool empty() const;
};
Как и в случае стека, мы для простоты уменьшили число конструкторов и запретили присваивание. И, как и раньше, предлагаем по два варианта функций try_pop() и wait_for_pop(). Первый перегруженный вариант try_pop() (1) сохраняет извлеченное значение в переданной по ссылке переменной, а возвращаемое значение использует для индикации ошибки: оно равно true, если значение получено, и false — в противном случае (см. раздел А.2). Во втором перегруженном варианте (2) так поступить нельзя, потому что возвращаемое значение — это данные, извлеченные из очереди. Однако же можно возвращать указатель NULL, если в очереди ничего не оказалось.