有多少互斥量和条件变量？

Question

我在 pthread 池上工作，将有五个单独的线程和一个队列。所有五个线程都在竞争从队列中获取工作，我知道我需要执行锁定/解锁和等待/信号的基本想法。

但我不确定我应该拥有多少互斥量和条件变量。现在我只有一个 mutex 和 cond 变量，所有五个线程都会使用它。

Answer 1

一个互斥体和至少一个条件变量。

一个互斥体，因为有一个“事物”（即一块内存）要同步访问：所有工作人员之间的共享状态和推送工作的线程。

一个条件变量，一个或多个线程需要等待的条件。至少你需要一个条件变量来等待新工作，这里的条件是：“还有更多事情要做吗？” （或相反：“工作队列是空的吗？”）。

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一个更实质性的答案是互斥体和相关条件变量之间存在一对多关系，共享状态和互斥体之间存在一对一关系。根据您告诉我们的内容以及您正在学习的内容，我建议您在设计中仅使用一种共享状态。当您需要更多的一种状态时，我建议您寻找一些更高级别的概念（例如通道、期货/承诺）来建立抽象。

无论如何，不​​要对不同的互斥锁使用相同的条件变量。

Answer 2

详细说明@Ivan的解决方案...

您可以使用计数信号量 + 原子操作代替互斥量 + 条件变量来创建非常高效的队列。

semaphore dequeue_sem = 0;
semaphore enqueue_sem = 37; // or however large you want to bound your queue

入队操作只是：

wait_for(enqueue_sem)
atomic_add_to_queue(element)
signal(dequeue_sem)

出队操作是：

wait_for(dequeue_sem)
element = atomic_remove_from_queue()
signal(enqueue_sem)

“atomic_add_to_queue”和“atomic_remove_from_queue”通常使用紧密循环中的原子比较和交换来实现。

除了对称性之外，这个公式还限制了队列的最大大小；如果一个线程在一个完整的队列上调用 enqueue() ，它将阻塞。对于多线程环境中的任何队列，这几乎肯定是您想要的。 （您的计算机内存有限；应尽可能避免无限制地使用它。）

如果您确实坚持使用互斥锁和条件变量，则需要两个条件，一个用于排队等待（和 deque 发送信号），另一个用于其他方式。条件分别表示“队列未满”和“队列未空”，入队/出队代码同样对称。

Answer 3

我认为，如果您将队列组织为堆栈/链表，则可以通过互锁操作从队列中窃取工作而根本不加锁（它将需要信号量而不是条件变量来防止 cmets 中描述的问题到此答案）。

伪代码是这样的：

1. 候选人 = 头。
2. if (candidate == null) wait_for_semaphore;
3. if (candidate == InterlockedCompareExchange(head, Candidate->next, Candidate)) perform_work(candidate->data);
4. 否则转到 1；

当然，在这种情况下，也应该通过 InterlockedCompareExchange 向队列添加工作并发送信号量。