使用线程以定时间隔调用函数

Question

我正在构建一个模拟器来测试一个非常简单的机器人的学生代码。我需要定期在单独的线程上运行两个功能（更新机器人传感器和机器人位置）。我当前的实现是处理器效率极低的，因为它有一个线程专门用于简单地递增数字以跟踪代码中的位置。我最近的理论是，我可以使用 sleep 来给出传感器更新值和机器人位置之间的时间延迟。我的第一个问题是：这有效吗？第二：有什么方法可以做一件简单的事情，但测量时钟周期而不是秒？

Answer 1

通过等待类似互斥的对象使线程进入睡眠状态通常是有效的。一种常见的模式是在互斥体上等待超时。当达到超时时，时间间隔就结束了。当互斥体被释放时，就是线程终止的信号。

伪代码：

void threadMethod() {
  for(;;) {
    bool signalled = this->mutex.wait(1000);
    if(signalled) {
      break; // Signalled, owners wants us to terminate
    }

    // Timeout, meaning our wait time is up
    doPeriodicAction();
  }
}

void start() {
  this->mutex.enter();
  this->thread.start(threadMethod);
}

void stop() {
  this->mutex.leave();
  this->thread.join();
}

在 Windows 系统上，超时通常以毫秒为单位指定，并且精确到大约 16 毫秒（timeBeginPeriod() 可能能够改善这一点）。我不知道 CPU 周期触发的同步原语。有称为“临界区”的轻量级互斥体，它们在委托给 OS 线程调度程序之前将 CPU 旋转几千个周期。在这段时间内，它们是相当准确的。

在 Linux 系统上，准确度可能会更高一些（高频定时器或无滴答内核），除了互斥体之外，还有类似于 Windows 的临界区的“futexes”（快速互斥体）。

---

我不确定我是否掌握了您想要实现的目标，但如果您想测试学生代码，您可能需要使用虚拟时钟并自己控制时间的流逝。例如通过调用学生必须提供的processInputs() 和decideMovements() 方法。每次调用后，有 1 个时隙结束。

Answer 2

此 C++11 代码使用 std::chrono::high_resolution_clock 测量亚秒级计时，并使用 std::thread 运行三个线程。 std::this_thread::sleep_for()函数用于休眠指定时间。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <chrono>

void seconds()
{
    using namespace std::chrono;

    high_resolution_clock::time_point t1, t2; 
    for (unsigned i=0; i<10; ++i) {
        std::cout << i << "\n";
        t1 = high_resolution_clock::now();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); 
        t2 = high_resolution_clock::now();
        duration<double> elapsed = duration_cast<duration<double> >(t2-t1);
        std::cout << "\t( " << elapsed.count() << " seconds )\n";
    }
}
int main()
{
    std::vector<std::thread> t;

    t.push_back(std::thread{[](){ 
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3)); 
        std::cout << "awoke after 3\n"; }});
    t.push_back(std::thread{[](){ 
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(7)); 
        std::cout << "awoke after 7\n"; }});
    t.push_back(std::thread{seconds});

    for (auto &thr : t)
        thr.join();
}

很难知道这是否满足您的需求，因为问题中缺少很多细节。 Linux下编译：

g++ -Wall -Wextra -pedantic -std=c++11 timers.cpp -o timers -lpthread

我的机器上的输出：

0
    ( 1.00014 seconds)
1
    ( 1.00014 seconds)
2
awoke after 3
    ( 1.00009 seconds)
3
    ( 1.00015 seconds)
4
    ( 1.00011 seconds)
5
    ( 1.00013 seconds)
6
awoke after 7
    ( 1.0001 seconds)
7
    ( 1.00015 seconds)
8
    ( 1.00014 seconds)
9
    ( 1.00013 seconds)

其他可能感兴趣的 C++11 标准功能包括 timed_mutex 和 promise/future。

Answer 3

是的，你的理论是正确的。您可以使用 sleep 在线程执行函数之间设置一些延迟。效率取决于您可以选择多宽的延迟以获得所需的结果。 你必须解释你的实施细节。例如，我们不知道两个线程是否相互依赖（在这种情况下，您必须注意同步，这会破坏一些周期）。

Answer 4

这是一种方法。我正在使用 C++11、线程、原子和高精度时钟。调度程序将回调一个函数，该函数需要 dt 秒，这是自上次调用以来经过的时间。可以通过调用 if 回调函数返回 false 的 stop() 方法来停止循环。

调度程序代码

#include <thread>
#include <chrono>
#include <functional>
#include <atomic>
#include <system_error>

class ScheduledExecutor {
public:
    ScheduledExecutor()
    {}
    ScheduledExecutor(const std::function<bool(double)>& callback, double period)
    {
        initialize(callback, period);
    }
    void initialize(const std::function<bool(double)>& callback, double period)
    {
        callback_ = callback;
        period_ = period;
        keep_running_ = false;
    }

    void start()
    {
        keep_running_ = true;
        sleep_time_sum_ = 0;
        period_count_ = 0;
        th_ = std::thread(&ScheduledExecutor::executorLoop, this);
    }

    void stop()
    {
        keep_running_ = false;
        try {
            th_.join();
        }
        catch(const std::system_error& /* e */)
        { }
    }

    double getSleepTimeAvg()
    {
        //TODO: make this function thread safe by using atomic types
        //right now this is not implemented for performance and that
        //return of this function is purely informational/debugging purposes
        return sleep_time_sum_ / period_count_;
    }

    unsigned long getPeriodCount()
    {
        return period_count_;
    }

private:
    typedef std::chrono::high_resolution_clock clock;
    template <typename T>
    using duration = std::chrono::duration<T>;

    void executorLoop()
    {
        clock::time_point call_end = clock::now();
        while (keep_running_) {
            clock::time_point call_start = clock::now();
            duration<double> since_last_call = call_start - call_end;

            if (period_count_ > 0 && !callback_(since_last_call.count()))
                break;

            call_end = clock::now();

            duration<double> call_duration = call_end - call_start;
            double sleep_for = period_ - call_duration.count();
            sleep_time_sum_ += sleep_for;
            ++period_count_;
            if (sleep_for > MinSleepTime)
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::duration<double>(sleep_for));
        }
    }

private:
    double period_;
    std::thread th_;
    std::function<bool(double)> callback_;
    std::atomic_bool keep_running_;

    static constexpr double MinSleepTime = 1E-9;

    double sleep_time_sum_;
    unsigned long period_count_;
};

使用示例

bool worldUpdator(World& w, double dt)
{
    w.update(dt);
    return true;
}

void main() {
    //create world for your simulator
    World w(...);

    //start scheduler loop for every 2ms calls
    ScheduledExecutor exec;
    exec.initialize(
        std::bind(worldUpdator, std::ref(w), std::placeholders::_1), 
            2E-3);
    exec.start();

    //main thread just checks on the results every now and then
    while (true) {
        if (exec.getPeriodCount() % 10000 == 0) {
            std::cout << exec.getSleepTimeAvg() << std::endl;
        }
    }
}

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