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鍍金池/ 教程/ C/ 6.3 基于鎖設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
3.4 本章總結(jié)
6.3 基于鎖設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
6.1 為并發(fā)設(shè)計(jì)的意義何在?
5.2 <code>C++</code>中的原子操作和原子類型
A.7 自動推導(dǎo)變量類型
2.1 線程管理的基礎(chǔ)
8.5 在實(shí)踐中設(shè)計(jì)并發(fā)代碼
2.4 運(yùn)行時決定線程數(shù)量
2.2 向線程函數(shù)傳遞參數(shù)
第4章 同步并發(fā)操作
2.3 轉(zhuǎn)移線程所有權(quán)
8.3 為多線程性能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
6.4 本章總結(jié)
7.3 對于設(shè)計(jì)無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)建議
關(guān)于這本書
A.1 右值引用
2.6 本章總結(jié)
D.2 &lt;condition_variable&gt;頭文件
A.6 變參模板
6.2 基于鎖的并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
4.5 本章總結(jié)
A.9 本章總結(jié)
前言
第10章 多線程程序的測試和調(diào)試
5.4 本章總結(jié)
第9章 高級線程管理
5.1 內(nèi)存模型基礎(chǔ)
2.5 識別線程
第1章 你好,C++的并發(fā)世界!
1.2 為什么使用并發(fā)?
A.5 Lambda函數(shù)
第2章 線程管理
4.3 限定等待時間
D.3 &lt;atomic&gt;頭文件
10.2 定位并發(fā)錯誤的技術(shù)
附錄B 并發(fā)庫的簡單比較
5.3 同步操作和強(qiáng)制排序
A.8 線程本地變量
第8章 并發(fā)代碼設(shè)計(jì)
3.3 保護(hù)共享數(shù)據(jù)的替代設(shè)施
附錄D C++線程庫參考
第7章 無鎖并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
D.7 &lt;thread&gt;頭文件
D.1 &lt;chrono&gt;頭文件
4.1 等待一個事件或其他條件
A.3 默認(rèn)函數(shù)
附錄A 對<code>C++</code>11語言特性的簡要介紹
第6章 基于鎖的并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
封面圖片介紹
7.2 無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的例子
8.6 本章總結(jié)
8.1 線程間劃分工作的技術(shù)
4.2 使用期望等待一次性事件
8.4 設(shè)計(jì)并發(fā)代碼的注意事項(xiàng)
D.5 &lt;mutex&gt;頭文件
3.1 共享數(shù)據(jù)帶來的問題
資源
9.3 本章總結(jié)
10.3 本章總結(jié)
10.1 與并發(fā)相關(guān)的錯誤類型
D.4 &lt;future&gt;頭文件
3.2 使用互斥量保護(hù)共享數(shù)據(jù)
9.1 線程池
1.1 何謂并發(fā)
9.2 中斷線程
4.4 使用同步操作簡化代碼
A.2 刪除函數(shù)
1.3 C++中的并發(fā)和多線程
1.4 開始入門
第5章 C++內(nèi)存模型和原子類型操作
消息傳遞框架與完整的ATM示例
8.2 影響并發(fā)代碼性能的因素
7.1 定義和意義
D.6 &lt;ratio&gt;頭文件
A.4 常量表達(dá)式函數(shù)
7.4 本章總結(jié)
1.5 本章總結(jié)
第3章 線程間共享數(shù)據(jù)

6.3 基于鎖設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

棧和隊(duì)列都很簡單:接口相對固定,并且它們應(yīng)用于比較特殊的情況。并不是所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都像它們一樣簡單;大多數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持更加多樣化的操作。原則上,這將增大并行的可能性,但是也讓對數(shù)據(jù)保護(hù)變得更加困難,因?yàn)橐紤]對所有能訪問到的部分。當(dāng)為了并發(fā)訪問對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時,這一系列原有的操作,就變得越發(fā)重要,需要重點(diǎn)處理。

先來看看,在查詢表的設(shè)計(jì)中,所遇到的一些問題。

6.3.1 編寫一個使用鎖的線程安全查詢表

查詢表或字典是一種類型的值(鍵值)和另一種類型的值進(jìn)行關(guān)聯(lián)(映射的方式)。一般情況下,這樣的結(jié)構(gòu)允許代碼通過鍵值對相關(guān)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行查詢。在C++標(biāo)準(zhǔn)庫中,這種相關(guān)工具有:std::map<>, std::multimap<>, std::unordered_map<>以及std::unordered_multimap<>。

查詢表的使用與棧和隊(duì)列不同。棧和隊(duì)列上,幾乎每個操作都會對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改,不是添加一個元素,就是刪除一個,而對于查詢表來說,幾乎不需要什么修改。清單3.13中有個例子,是一個簡單的域名系統(tǒng)(DNS)緩存,其特點(diǎn)是,相較于std::map<>削減了很多的接口。和隊(duì)列和棧一樣,標(biāo)準(zhǔn)容器的接口不適合多線程進(jìn)行并發(fā)訪問,因?yàn)檫@些接口在設(shè)計(jì)的時候都存在固有的條件競爭,所以這些接口需要砍掉,以及重新修訂。

并發(fā)訪問時,std::map<>接口最大的問題在于——迭代器。雖然,在多線程訪問(或修改)容器時,可能會有提供安全訪問的迭代器,但這就問題棘手之處。要想正確的處理迭代器,你可能會碰到下面這個問題:當(dāng)?shù)饕玫脑乇黄渌€程刪除時,迭代器在這里就是個問題了。線程安全的查詢表,第一次接口削減,需要繞過迭代器。std::map<>(以及標(biāo)準(zhǔn)庫中其他相關(guān)容器)給定的接口對于迭代器的依賴是很嚴(yán)重的,其中有些接口需要先放在一邊,先對一些簡單接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

查詢表的基本操作有:

  • 添加一對“鍵值-數(shù)據(jù)”

  • 修改指定鍵值所對應(yīng)的數(shù)據(jù)

  • 刪除一組值

  • 通過給定鍵值,獲取對應(yīng)數(shù)據(jù)

容器也有一些操作是非常有用的,比如:查詢?nèi)萜魇欠駷榭?,鍵值列表的完整快照和“鍵值-數(shù)據(jù)”的完整快照。

如果你堅(jiān)持之前的線程安全指導(dǎo)意見,例如:不要返回一個引用,并且用一個簡單的互斥鎖對每一個成員函數(shù)進(jìn)行上鎖,以確保每一個函數(shù)線程安全。最有可能的條件競爭在于,當(dāng)一對“鍵值-數(shù)據(jù)”加入時;當(dāng)兩個線程都添加一個數(shù)據(jù),那么肯定一個先一個后。一種方式是合并“添加”和“修改”操作,為一個成員函數(shù),就像清單3.13對域名系統(tǒng)緩存所做的那樣。

從接口角度看,有一個問題很是有趣,那就是任意(if any)部分獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。一種選擇是允許用戶提供一個“默認(rèn)”值,在鍵值沒有對應(yīng)值的時候進(jìn)行返回:

mapped_type get_value(key_type const& key, mapped_type default_value);

在種情況下,當(dāng)default_value沒有明確的給出時,默認(rèn)構(gòu)造出的mapped_type實(shí)例將被使用。也可以擴(kuò)展成返回一個std::pair<mapped_type, bool>來代替mapped_type實(shí)例,其中bool代表返回值是否是當(dāng)前鍵對應(yīng)的值。另一個選擇是,返回一個有指向數(shù)據(jù)的智能指針;當(dāng)指針的值是NULL時,那么這個鍵值就沒有對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

如我們之前所提到的,當(dāng)接口確定時,那么(假設(shè)沒有接口間的條件競爭)就需要保證線程安全了,可以通過對每一個成員函數(shù)使用一個互斥量和一個簡單的鎖,來保護(hù)底層數(shù)據(jù)。不過,當(dāng)獨(dú)立的函數(shù)對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行讀取和修改時,就會降低并發(fā)的可能性。一個選擇是使用一個互斥量去面對多個讀者線程,或一個作者線程,如同在清單3.13中對boost::shared_mutex的使用一樣。雖然,這將提高并發(fā)訪問的可能性,但是在同一時間內(nèi),也只有一個線程能對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。理想很美好,現(xiàn)實(shí)很骨感?我們應(yīng)該能做的更好!

為細(xì)粒度鎖設(shè)計(jì)一個映射結(jié)構(gòu)

在對隊(duì)列的討論中(在6.2.3節(jié)),為了允許細(xì)粒度鎖能正常工作,需要對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)進(jìn)行仔細(xì)的考慮,而非直接使用已存在的容器,例如std::map<>。這里列出三個常見關(guān)聯(lián)容器的方式:

  • 二叉樹,比如:紅黑樹

  • 有序數(shù)組

  • 哈希表

二叉樹的方式,不會對提高并發(fā)訪問的概率;每一個查找或者修改操作都需要訪問根節(jié)點(diǎn),因此,根節(jié)點(diǎn)需要上鎖。雖然,訪問線程在向下移動時,這個鎖可以進(jìn)行釋放,但相比橫跨整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的單鎖,并沒有什么優(yōu)勢。

有序數(shù)組是最壞的選擇,因?yàn)槟銦o法提前言明數(shù)組中哪段是有序的,所以你需要用一個鎖將整個數(shù)組鎖起來。

那么就剩哈希表了。假設(shè)有固定數(shù)量的桶,每個桶都有一個鍵值(關(guān)鍵特性),以及散列函數(shù)。這就意味著你可以安全的對每個桶上鎖。當(dāng)你再次使用互斥量(支持多讀者單作者)時,你就能將并發(fā)訪問的可能性增加N倍,這里N是桶的數(shù)量。當(dāng)然,缺點(diǎn)也是有的:對于鍵值的操作,需要有合適的函數(shù)。C++標(biāo)準(zhǔn)庫提供std::hash<>模板,可以直接使用。對于特化的類型,比如int,以及通用庫類型std::string,并且用戶可以簡單的對鍵值類型進(jìn)行特化。如果你去效仿標(biāo)準(zhǔn)無序容器,并且獲取函數(shù)對象的類型作為哈希表的模板參數(shù),用戶可以選擇是否特化std::hash<>的鍵值類型,或者提供一個獨(dú)立的哈希函數(shù)。

那么,讓我們來看一些代碼吧。怎樣的實(shí)現(xiàn)才能完成一個線程安全的查詢表?下面就是一種方式。

清單6.11 線程安全的查詢表

template<typename Key,typename Value,typename Hash=std::hash<Key> >
class threadsafe_lookup_table
{
private:
  class bucket_type
  {
  private:
    typedef std::pair<Key,Value> bucket_value;
    typedef std::list<bucket_value> bucket_data;
    typedef typename bucket_data::iterator bucket_iterator;

    bucket_data data;
    mutable boost::shared_mutex mutex;  // 1

    bucket_iterator find_entry_for(Key const& key) const  // 2
    {
      return std::find_if(data.begin(),data.end(),
      [&](bucket_value const& item)
      {return item.first==key;});
    }
  public:
    Value value_for(Key const& key,Value const& default_value) const
    {
      boost::shared_lock<boost::shared_mutex> lock(mutex);  // 3
      bucket_iterator const found_entry=find_entry_for(key);
      return (found_entry==data.end())?
        default_value:found_entry->second;
    }

    void add_or_update_mapping(Key const& key,Value const& value)
    {
      std::unique_lock<boost::shared_mutex> lock(mutex);  // 4
      bucket_iterator const found_entry=find_entry_for(key);
      if(found_entry==data.end())
      {
        data.push_back(bucket_value(key,value));
      }
      else
      {
        found_entry->second=value;
      }
    }

    void remove_mapping(Key const& key)
    {
      std::unique_lock<boost::shared_mutex> lock(mutex);  // 5
      bucket_iterator const found_entry=find_entry_for(key);
      if(found_entry!=data.end())
      {
        data.erase(found_entry);
      }
    }
  };

  std::vector<std::unique_ptr<bucket_type> > buckets;  // 6
  Hash hasher;

  bucket_type& get_bucket(Key const& key) const  // 7
  {
    std::size_t const bucket_index=hasher(key)%buckets.size();
    return *buckets[bucket_index];
  }

public:
  typedef Key key_type;
  typedef Value mapped_type;

  typedef Hash hash_type;
  threadsafe_lookup_table(
    unsigned num_buckets=19,Hash const& hasher_=Hash()):
    buckets(num_buckets),hasher(hasher_)
  {
    for(unsigned i=0;i<num_buckets;++i)
    {
      buckets[i].reset(new bucket_type);
    }
  }

  threadsafe_lookup_table(threadsafe_lookup_table const& other)=delete;
  threadsafe_lookup_table& operator=(
    threadsafe_lookup_table const& other)=delete;

  Value value_for(Key const& key,
                  Value const& default_value=Value()) const
  {
    return get_bucket(key).value_for(key,default_value);  // 8
  }

  void add_or_update_mapping(Key const& key,Value const& value)
  {
    get_bucket(key).add_or_update_mapping(key,value);  // 9
  }

  void remove_mapping(Key const& key)
  {
    get_bucket(key).remove_mapping(key);  // 10
  }
};

這個實(shí)現(xiàn)中使用了std::vector<std::unique_ptr<bucket_type>>⑥來保存桶,其允許在構(gòu)造函數(shù)中指定構(gòu)造桶的數(shù)量。默認(rèn)為19個,其是一個任意的質(zhì)數(shù);哈希表在有質(zhì)數(shù)個桶時,工作效率最高。每一個桶都會被一個boost::shared_mutex①實(shí)例鎖保護(hù),來允許并發(fā)讀取,或?qū)γ恳粋€桶,只有一個線程對其進(jìn)行修改。

因?yàn)橥暗臄?shù)量是固定的,所以get_bucket()⑦可以無鎖調(diào)用,⑧⑨⑩也都一樣。并且對桶的互斥量上鎖,要不就是共享(只讀)所有權(quán)的時候③,要不就是在獲取唯一(讀/寫)權(quán)的時候④⑤。這里的互斥量,可適用于每個成員函數(shù)。

這三個函數(shù)都使用到了find_entry_for()成員函數(shù)②,在桶上用來確定數(shù)據(jù)是否在桶中。每一個桶都包含一個“鍵值-數(shù)據(jù)”的std::list<>列表,所以添加和刪除數(shù)據(jù),就會很簡單。

已經(jīng)從并發(fā)的角度考慮了,并且所有成員都會被互斥鎖保護(hù),所以這樣的實(shí)現(xiàn)就是“異常安全”的嗎?value_for是不能修改任何值的,所以其不會有問題;如果value_for拋出異常,也不會對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有任何影響。remove_mapping修改鏈表時,將會調(diào)用erase,不過這就能保證沒有異常拋出,那么這里也是安全的。那么就剩add_or_update_mapping了,其可能會在其兩個if分支上拋出異常。push_back是異常安全的,如果有異常拋出,其也會將鏈表恢復(fù)成原來的狀態(tài),所以這個分支是沒有問題的。唯一的問題就是在賦值階段,這將替換已有的數(shù)據(jù);當(dāng)復(fù)制階段拋出異常,用于原依賴的始狀態(tài)沒有改變。不過,這不會影響數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的整體,以及用戶提供類型的屬性,所以你可以放心的將問題交給用戶處理。

在本節(jié)開始時,我提到查詢表的一個可有可無(nice-to-have)的特性,會將選擇當(dāng)前狀態(tài)的快照,例如,一個std::map<>。這將要求鎖住整個容器,用來保證拷貝副本的狀態(tài)是可以索引的,這將要求鎖住所有的桶。因?yàn)閷τ诓樵儽淼摹捌胀ā钡牟僮?,需要在同一時間獲取一個桶上的一個鎖,而這個操作將要求查詢表將所有桶都鎖住。因此,只要每次以相同的順序進(jìn)行上鎖(例如,遞增桶的索引值),就不會產(chǎn)生死鎖。實(shí)現(xiàn)如下所示:

清單6.12 獲取整個threadsafe_lookup_table作為一個std::map<>

std::map<Key,Value> threadsafe_lookup_table::get_map() const
{
  std::vector<std::unique_lock<boost::shared_mutex> > locks;
  for(unsigned i=0;i<buckets.size();++i)
  {
    locks.push_back(
      std::unique_lock<boost::shared_mutex>(buckets[i].mutex));
  }
  std::map<Key,Value> res;
  for(unsigned i=0;i<buckets.size();++i)
  {
    for(bucket_iterator it=buckets[i].data.begin();
        it!=buckets[i].data.end();
        ++it)
    {
      res.insert(*it);
    }
  }
  return res;
}

清單6.11中的查詢表實(shí)現(xiàn),就增大的并發(fā)訪問的可能性,這個查詢表作為一個整體,通過單獨(dú)的操作,對每一個桶進(jìn)行鎖定,并且通過使用boost::shared_mutex允許讀者線程對每一個桶進(jìn)行并發(fā)訪問。如果細(xì)粒度鎖和哈希表結(jié)合起來,會更有效的增加并發(fā)的可能性嗎?

在下一節(jié)中,你將使用到一個線程安全列表(支持迭代器)。

6.3.2 編寫一個使用鎖的線程安全鏈表

鏈表類型是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一個基本類型,所以應(yīng)該是比較好修改成線程安全的,對么?其實(shí)這取決于你要添加什么樣的功能,這其中需要你提供迭代器的支持。為了讓基本數(shù)據(jù)類型的代碼不會太復(fù)雜,我去掉了一些功能。迭代器的問題在于,STL類的迭代器需要持有容器內(nèi)部屬于的引用。當(dāng)容器可被其他線程修改時,有時這個引用還是有效的;實(shí)際上,這里就需要迭代器持有鎖,對指定的結(jié)構(gòu)中的部分進(jìn)行上鎖。在給定STL類迭代器的生命周期中,讓其完全脫離容器的控制是很糟糕的。

替代方案就是提供迭代函數(shù),例如,將for_each作為容器本身的一部分。這就能讓容器來對迭代的部分進(jìn)行負(fù)責(zé)和鎖定,不過這將違反第3章指導(dǎo)意見對避免死鎖建議。為了讓for_each在任何情況下都有用,在其持有內(nèi)部鎖的時候,必須調(diào)用用戶提供的代碼。不僅如此,而且需要傳遞一個對容器中元素的引用到用戶代碼中,為的就是讓用戶代碼對容器中的元素進(jìn)行操作。你可以為了避免傳遞引用,而傳出一個拷貝到用戶代碼中;不過當(dāng)數(shù)據(jù)很大時,拷貝所要付出的代價(jià)也很大。

所以,可以將避免死鎖的工作(因?yàn)橛脩籼峁┑牟僮餍枰@取內(nèi)部鎖),還有避免對引用(不被鎖保護(hù))進(jìn)行存儲時的條件競爭,交給用戶去做。這樣的鏈表就可以被查詢表所使用了,這樣很安全,因?yàn)槟阒肋@里的實(shí)現(xiàn)不會有任何問題。

那么剩下的問題就是哪些操作需要列表所提供。如果你愿在花點(diǎn)時間看一下清單6.11和6.12中的代碼,你會看到下面這些操作是需要的:

  • 向列表添加一個元素

  • 當(dāng)某個條件滿足時,就從鏈表中刪除某個元素

  • 當(dāng)某個條件滿足時,從鏈表中查找某個元素

  • 當(dāng)某個條件滿足時,更新鏈表中的某個元素

  • 將當(dāng)前容器中鏈表中的每個元素,復(fù)制到另一個容器中

提供了這些操作,我們的鏈表才能是一個比較好的通用容器,這將幫助我們添加更多功能,比如,在指定位置上插入元素,不過這對于我們查詢表來說就沒有必要了,所以這里就算是給讀者們留的一個作業(yè)吧。

使用細(xì)粒度鎖最初的想法,是為了讓鏈表每個節(jié)點(diǎn)都擁有一個互斥量。當(dāng)鏈表很長時,那么就會有很多的互斥量!這樣的好處是對于鏈表中每一個獨(dú)立的部分,都能實(shí)現(xiàn)真實(shí)的并發(fā):其真正感興趣的是對持有的節(jié)點(diǎn)群進(jìn)行上鎖,并且在移動到下一個節(jié)點(diǎn)的時,對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行釋放。下面的清單中將展示這樣的一個鏈表實(shí)現(xiàn)。

清單6.13 線程安全鏈表——支持迭代器

template<typename T>
class threadsafe_list
{
  struct node  // 1
  {
    std::mutex m;
    std::shared_ptr<T> data;
    std::unique_ptr<node> next;
    node():  // 2
      next()
    {}

    node(T const& value):  // 3
      data(std::make_shared<T>(value))
    {}
  };

  node head;

public:
  threadsafe_list()
  {}

  ~threadsafe_list()
  {
    remove_if([](node const&){return true;});
  }

  threadsafe_list(threadsafe_list const& other)=delete;
  threadsafe_list& operator=(threadsafe_list const& other)=delete;

  void push_front(T const& value)
  {
    std::unique_ptr<node> new_node(new node(value));  // 4
    std::lock_guard<std::mutex> lk(head.m);
    new_node->next=std::move(head.next);  // 5
    head.next=std::move(new_node);  // 6
  }

  template<typename Function>
  void for_each(Function f)  // 7
  {
    node* current=&head;
    std::unique_lock<std::mutex> lk(head.m);  // 8
    while(node* const next=current->next.get())  // 9
    {
      std::unique_lock<std::mutex> next_lk(next->m);  // 10
      lk.unlock();  // 11
      f(*next->data);  // 12
      current=next;
      lk=std::move(next_lk);  // 13
    }
  }

  template<typename Predicate>
  std::shared_ptr<T> find_first_if(Predicate p)  // 14
  {
    node* current=&head;
    std::unique_lock<std::mutex> lk(head.m);
    while(node* const next=current->next.get())
    {
      std::unique_lock<std::mutex> next_lk(next->m);
      lk.unlock();
      if(p(*next->data))  // 15
      {
         return next->data;  // 16
      }
      current=next;
      lk=std::move(next_lk);
    }
    return std::shared_ptr<T>();
  }

  template<typename Predicate>
  void remove_if(Predicate p)  // 17
  {
    node* current=&head;
    std::unique_lock<std::mutex> lk(head.m);
    while(node* const next=current->next.get())
    {
      std::unique_lock<std::mutex> next_lk(next->m);
      if(p(*next->data))  // 18
      {
        std::unique_ptr<node> old_next=std::move(current->next);
        current->next=std::move(next->next);
        next_lk.unlock();
      }  // 20
      else
      {
        lk.unlock();  // 21
        current=next;
        lk=std::move(next_lk);
      }
    }
  }
};

清單6.13中的threadsafe_list<>是一個單鏈表,可從node的結(jié)構(gòu)①中看出。一個默認(rèn)構(gòu)造的node,作為鏈表的head,其next指針②指向的是NULL。新節(jié)點(diǎn)都是被push_front()函數(shù)添加進(jìn)去的;構(gòu)造第一個新節(jié)點(diǎn)④,其將會在堆上分配內(nèi)存③來對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,同時將next指針置為NULL。然后,你需要獲取head節(jié)點(diǎn)的互斥鎖,為了讓設(shè)置next的值⑤,也就是插入節(jié)點(diǎn)到列表的頭部,讓頭節(jié)點(diǎn)的head.next指向這個新節(jié)點(diǎn)⑥。目前,還沒有什么問題:你只需要鎖住一個互斥量,就能將一個新的數(shù)據(jù)添加進(jìn)入鏈表,所以這里不存在死鎖的問題。同樣,(緩慢的)內(nèi)存分配操作在鎖的范圍外,所以鎖能保護(hù)需要更新的一對指針。那么,現(xiàn)在來看一下迭代功能。

首先,來看一下for_each()⑦。這個操作需要對隊(duì)列中的每個元素執(zhí)行Function(函數(shù)指針);在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)算法庫中,都會通過傳值方式來執(zhí)行這個函數(shù),這里要不就傳入一個通用的函數(shù),要不就傳入一個有函數(shù)操作的類型對象。在這種情況下,這個函數(shù)必須接受類型為T的值作為參數(shù)。在鏈表中,會有一個“手遞手”的上鎖過程。在這個過程開始時,你需要鎖住head及節(jié)點(diǎn)⑧的互斥量。然后,安全的獲取指向下一個節(jié)點(diǎn)的指針(使用get()獲取,這是因?yàn)槟銓@個指針沒有所有權(quán))。當(dāng)指針不為NULL⑨,為了繼續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,就需要對指向的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上鎖⑩。當(dāng)你已經(jīng)鎖住了那個節(jié)點(diǎn),就可以對上一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行釋放了?,并且調(diào)用指定函數(shù)?。當(dāng)函數(shù)執(zhí)行完成時,你就可以更新當(dāng)前指針?biāo)赶虻墓?jié)點(diǎn)(剛剛處理過的節(jié)點(diǎn)),并且將所有權(quán)從next_lk移動移動到lk?。因?yàn)閒or_each傳遞的每個數(shù)據(jù)都是能被Function接受的,所以當(dāng)需要的時,需要拷貝到另一個容器的時,或其他情況時,你都可以考慮使用這種方式更新每個元素。如果函數(shù)的行為沒什么問題,這種方式是完全安全的,因?yàn)樵讷@取節(jié)點(diǎn)互斥鎖時,已經(jīng)獲取鎖的節(jié)點(diǎn)正在被函數(shù)所處理。

find_first_if()?和for_each()很相似;最大的區(qū)別在于find_first_if支持函數(shù)(謂詞)在匹配的時候返回true,在不匹配的時候返回false?。當(dāng)條件匹配,只需要返回找到的數(shù)據(jù)?,而非繼續(xù)查找。你可以使用for_each()來做這件事,不過在找到之后,繼續(xù)做查找就是沒有意義的了。

remove_if()?就有些不同了,因?yàn)檫@個函數(shù)會改變鏈表;所以,你就不能使用for_each()來實(shí)現(xiàn)這個功能。當(dāng)函數(shù)(謂詞)返回true?,對應(yīng)元素將會移除,并且更新current->next?。當(dāng)這些都做完,你就可以釋放next指向節(jié)點(diǎn)的鎖。當(dāng)std::unique_ptr<node>的移動超出鏈表范圍?,這個節(jié)點(diǎn)將被刪除。這種情況下,你就不需要更新當(dāng)前節(jié)點(diǎn)了,因?yàn)槟阒恍枰薷膎ext所指向的下一個節(jié)點(diǎn)就可以。當(dāng)函數(shù)(謂詞)返回false,那么移動的操作就和之前一樣了(21)。

那么,所有的互斥量中會有死鎖或條件競爭嗎?答案無疑是“否”,這里要看提供的函數(shù)(謂詞)是否有良好的行為。迭代通常都是使用一種方式,都是從head節(jié)點(diǎn)開始,并且在釋放當(dāng)前節(jié)點(diǎn)鎖之前,將下一個節(jié)點(diǎn)的互斥量鎖住,所以這里就不可能會有不同線程有不同的上鎖順序。唯一可能出現(xiàn)條件競爭的地方就是在remove_if()?中刪除已有節(jié)點(diǎn)的時候。因?yàn)?,這個操作在解鎖互斥量后進(jìn)行(其導(dǎo)致的未定義行為,可對已上鎖的互斥量進(jìn)行破壞)。不過,在考慮一陣后,可以確定這的確是安全的,因?yàn)槟氵€持有前一個節(jié)點(diǎn)(當(dāng)前節(jié)點(diǎn))的互斥鎖,所以不會有新的線程嘗試去獲取你正在刪除的那個節(jié)點(diǎn)的互斥鎖。

這里并發(fā)概率有多大呢?細(xì)粒度鎖要比單鎖的并發(fā)概率大很多,那我們已經(jīng)獲得了嗎?是的,你已經(jīng)獲取了:同一時間內(nèi),不同線程可以在不同節(jié)點(diǎn)上工作,無論是其使用for_each()對每一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理,使用find_first_if()對數(shù)據(jù)進(jìn)行查找,還是使用remove_if()刪除一些元素。不過,因?yàn)榛コ饬勘仨毎错樞蛏湘i,那么線程就不能交叉進(jìn)行工作。當(dāng)一個線程耗費(fèi)大量的時間對一個特殊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理,那么其他線程就必須等待這個處理完成。在完成后,其他線程才能到達(dá)這個節(jié)點(diǎn)。