C++中自定义sleep、条件变量sleep实例
投稿：junjie
sleep的作用无需多说，几乎每种语言都提供了类似的函数，调用起来也很简单。sleep的作用无非是让程序等待若干时间，而为了达到这样的目的，其实有很多种方式，最简单的往往也是最粗暴的，我们就以下面这段代码来举例说明（注：本文提及的程序编译运行环境为Linux）
/* filename: test.cpp */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
class TestServer
{
public:
TestServer() : run_(true) {};
~TestServer(){};
void Start()
{
pthread_create(&thread_, NULL, ThreadProc, (void*)this);
}
void Stop()
{
run_ = false;
}
void Wait()
{
pthread_join(thread_, NULL);
}
void Proc()
{
int count = 0;
while (run_)
{
printf("sleep count:%d\n", ++count);
sleep(5);
}
}
private:
bool run_;
pthread_t thread_;
static void* ThreadProc(void* arg)
{
TestServer* me = static_cast<TestServer*>(arg);
me->Proc();
return NULL;
}
};
TestServer g_server;
void StopService()
{
g_server.Stop();
}
void StartService()
{
g_server.Start();
g_server.Wait();
}
void SignalHandler(int sig)
{
switch(sig)
{
case SIGINT:
StopService();
default:
break;
}
}
int main(int argc, char* argv[])
{
signal(SIGINT, SignalHandler);
StartService();
return 0;
}
这段代码描述了一个简单的服务程序，为了简化我们省略了服务的处理逻辑，也就是Proc函数的内容，这里我们只是周期性的打印某条语句，为了达到周期性的目的，我们用sleep来实现，每隔5秒钟打印一次。在main函数中我们对SIGINT信号进行了捕捉，当程序在终端启动之后，如果你输入ctr+c，这会向程序发送中断信号，一般来说程序会退出，而这里我们捕捉到了这个信号，会按我们自己的逻辑来处理，也就是调用server的Stop函数。执行编译命令
$ g++ test.cpp -o test -lpthread
然后在终端输入./test运行程序，这时程序每隔5秒会在屏幕上打印一条语句，按下ctl+c，你会发现程序并没有立即退出，而是等待了一会儿才退出，究其原因，当按下ctl+c发出中断信号时，程序捕捉到并执行自己的逻辑，也就是调用了server的Stop函数，运行标记位run_被置为false，Proc函数检测到run_为false则退出循环，程序结束，但有可能（应该说大多数情况都是如此）此时Proc正好执行到sleep那一步，而sleep是将程序挂起，由于我们捕捉到了中断信号，因此它不会退出，而是继续挂起直到时间满足为止。这个sleep显然显得不够优雅，下面介绍两种能快速退出的方式。
自定义sleep
在我们调用系统提供的sleep时我们是无法在函数内部做其它事情的，基于此我们就萌生出一种想法，如果在sleep中能够检测到退出变量，那岂不是就能快速退出了，没错，事情就是这样子的，通过自定义sleep，我们将时间片分割成更小的片段，每隔一个片段检测一次，这样就能将程序的退出延迟时间缩小为这个更小的片段，自定义的sleep如下
void sleep(int seconds, const bool* run)
{
int count = seconds * 10;
while (*run && count > 0)
{
--count;
usleep(100000);
}
}
需要注意的是，这个sleep的第二个参数必须是指针类型的，因为我们需要检测到它的实时值，而不只是使用它传入进来的值，相应的函数调用也得稍作修改，完整的代码如下
/* filename: test2.cpp */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
class TestServer
{
public:
TestServer() : run_(true) {};
~TestServer(){};
void Start()
{
pthread_create(&thread_, NULL, ThreadProc, (void*)this);
}
void Stop()
{
run_ = false;
}
void Wait()
{
pthread_join(thread_, NULL);
}
void Proc()
{
int count = 0;
while (run_)
{
printf("sleep count:%d\n", ++count);
sleep(5, &run_);
}
}
private:
bool run_;
pthread_t thread_;
void sleep(int seconds, const bool* run)
{
int count = seconds * 10;
while (*run && count > 0)
{
--count;
usleep(100000);
}
}
static void* ThreadProc(void* arg)
{
TestServer* me = static_cast<TestServer*>(arg);
me->Proc();
return NULL;
}
};
TestServer g_server;
void StopService()
{
g_server.Stop();
}
void StartService()
{
g_server.Start();
g_server.Wait();
}
void SignalHandler(int sig)
{
switch(sig)
{
case SIGINT:
StopService();
default:
break;
}
}
int main(int argc, char* argv[])
{
signal(SIGINT, SignalHandler);
StartService();
return 0;
}
编译g++ test2.cpp -o test，运行./test，当程序启动之后按ctl+c，看程序是不是很快就退出了。
其实这种退出并不是立马退出，而是将sleep的等待时间分成了更小的时间片，上例是0.1秒，也就是说在按下ctr+c之后，程序其实还会延时0到0.1秒才会退出，只不过这个时间很短，看上去就像立马退出一样。
用条件变量实现sleep
大致的思想就是，在循环时等待一个条件变量，并设置超时时间，如果在这个时间之内有其它线程触发了条件变量，等待会立即退出，否则会一直等到设置的时间，这样就可以通过对条件变量的控制来实现sleep，并且可以在需要的时候立马退出。
条件变量往往会和互斥锁搭配使用，互斥锁的逻辑很简单，如果一个线程获取了互斥锁，其它线程就无法获取，也就是说如果两个线程同时执行到了pthread_mutex_lock语句，只有一个线程会执行完成，而另一个线程会阻塞，直到有线程调用pthread_mutex_unlock才会继续往下执行。所以我们往往在多线程访问同一内存区域时会用到互斥锁，以防止多个线程同时修改某一块内存区域。本例用到的函数有如下几个，互斥锁相关函数有
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
以上函数功能分别是初始化、加锁、解锁、销毁。条件变量相关函数有
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
以上函数功能分别是初始化、超时等待条件变量、触发条件变量、销毁。这里需要解释一下pthread_cond_timedwait和pthread_cond_signal函数
pthread_cond_timedwait
这个函数调用之后会阻塞，也就是类似sleep的作用，但是它会在两种情况下被唤醒：1、条件变量cond被触发时；2、系统时间到达abstime时，注意这里是绝对时间，不是相对时间。它比sleep的高明之处就在第一点。另外它还有一个参数是mutex，当执行这个函数时，它的效果等同于在函数入口处先对mutex加锁，在出口处再对mutex解锁，当有多线程调用这个函数时，可以按这种方式去理解
pthread_cond_signal
它只有一个参数cond，作用很简单，就是触发等待cond的线程，注意，它一次只会触发一个，如果要触发所有等待cond的县城，需要用到pthread_cond_broadcast函数，参数和用法都是一样的
有了以上背景知识，就可以更加优雅的实现sleep，主要关注Proc函数和Stop函数，完整的代码如下
/* filename: test3.cpp */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
class TestServer
{
public:
TestServer() : run_(true)
{
pthread_mutex_init(&mutex_, NULL);
pthread_cond_init(&cond_, NULL);
};
~TestServer()
{
pthread_mutex_destroy(&mutex_);
pthread_cond_destroy(&cond_);
};
void Start()
{
pthread_create(&thread_, NULL, ThreadProc, (void*)this);
}
void Stop()
{
run_ = false;
pthread_mutex_lock(&mutex_);
pthread_cond_signal(&cond_);
pthread_mutex_unlock(&mutex_);
}
void Wait()
{
pthread_join(thread_, NULL);
}
void Proc()
{
pthread_mutex_lock(&mutex_);
struct timeval now;
int count = 0;
while (run_)
{
printf("sleep count:%d\n", ++count);
gettimeofday(&now, NULL);
struct timespec outtime;
outtime.tv_sec = now.tv_sec + 5;
outtime.tv_nsec = now.tv_usec * 1000;
pthread_cond_timedwait(&cond_, &mutex_, &outtime);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex_);
}
private:
bool run_;
pthread_t thread_;
pthread_mutex_t mutex_;
pthread_cond_t cond_;
static void* ThreadProc(void* arg)
{
TestServer* me = static_cast<TestServer*>(arg);
me->Proc();
return NULL;
}
};
TestServer g_server;
void StopService()
{
g_server.Stop();
}
void StartService()
{
g_server.Start();
g_server.Wait();
}
void SignalHandler(int sig)
{
switch(sig)
{
case SIGINT:
StopService();
default:
break;
}
}
int main(int argc, char* argv[])
{
signal(SIGINT, SignalHandler);
StartService();
return 0;
}
和test2.cpp一样，编译之后运行，程序每隔5秒在屏幕打印一行输出，输入ctr+c，程序会立马退出