一个 cpp 协程库的前世今生（十四）信号量与条件变量

作者：SkyFire

2022 年 1 月 09 日
本文字数：2151 字
阅读完需：约 7 分钟

为了防止大家找不到代码，还是先贴一下项目链接：

GitHub - skyfireitdiy/cocpp at cocpp-0.1.0

上一篇文章介绍了互斥量的实现，本篇文章继续介绍信号量和条件变量。

信号量分为计数信号量和二值信号量，二值信号量是计数信号量的一个特化。

条件变量

条件变量的定义非常简单，在 include/cocpp/sync/co_condition_variable.h 中：

using co_condition_variable = std::condition_variable_any; // 条件变量

复制代码

可以看到，co_condition_variable 其实就是 std::condition_variable_any 的别名，std::condition_variable_any 可以等待任何带有 lock 和 unlock 接口的对象，因此我们就可以将实现的协程锁作为他的入参对象，它本身并不区分是哪一种类型的锁。

计数信号量

计数信号量的典型应用场景是生产者消费者，信号量的计数代表着资源的个数。

接口

信号量的接口位于 include/cocpp/sync/co_counting_semaphore.h

template <std::ptrdiff_t LeastMaxValue>class co_counting_semaphore final : private co_noncopyable{private:    co_mutex              mu__;            // 互斥锁    co_condition_variable empty_cond__;    // 空闲条件变量    co_condition_variable full_cond__;     // 满条件变量    std::ptrdiff_t        desired__;       // 期望值    void                  release_one__(); // 释放一个信号量public:    void acquire();                          // 获取一个信号量    void release(std::ptrdiff_t update = 1); // 释放一个信号量    bool try_acquire() noexcept;             // 尝试获取一个信号量    template <class Rep, class Period>    bool try_acquire_for(const std::chrono::duration<Rep, Period>& rel_time); // 尝试获取一个信号量    template <class Clock, class Duration>    bool try_acquire_until(const std::chrono::time_point<Clock, Duration>& abs_time); // 尝试获取一个信号量    constexpr explicit co_counting_semaphore(std::ptrdiff_t desired);                 // 构造函数    static constexpr std::ptrdiff_t max() noexcept;                                   // 最大值};

复制代码

信号量的接口比互斥量要复杂的多，接下来我们看一下这些接口的用途。

acquire：获取一个资源，计数减 1，在获取不到时会阻塞，直到获取成功为止
release：释放一个或多个资源，参数的默认为 1，意味着释放一个资源，如果资源数量已经到达 LeastMaxValue，则会阻塞，直到资源被消费。
try_acquire：尝试获取一个资源，如果获取不到，返回 false。
try_acquire_for 与 try_acquire_until：在指定时间段内或者是指定时间点前尝试获取资源，如果一直获取不到，返回 false
max：返回最大可容纳的资源数量，这是一个 constexpr 函数
构造函数：构造函数带有一个值，表示默认的资源数量

接下来我们再看那几个私有成员变量

mu__：用来保护资源计数的互斥量
empty_cond__：资源为空时，等待的条件变量
full_cond__：资源为满时，等待的条件变量
desired__：当前的资源计数
release_one__：释放一个资源

实现

信号量的实现比较复杂，接下来我们一一来看。

acquire

acquire 的实现如下（include/cocpp/sync/co_counting_semaphore.h）：

template <std::ptrdiff_t LeastMaxValue>void co_counting_semaphore<LeastMaxValue>::acquire(){    std::unique_lock<co_mutex> lock(mu__);    assert(desired__ >= 0 && desired__ <= LeastMaxValue);    while (desired__ == 0)    {        empty_cond__.wait(lock);    }    --desired__;    full_cond__.notify_one();}

复制代码

此处先获取到操作计数的互斥量。

然后判断当前是否有可用的资源，如果没有，就使用条件变量等待，直到有可用资源为止。

然后将可用资源数量减 1。

然后通知 full_cond__对应的等待者可以放资源了。

接下来看一下 release 的做法。

release

实现如下（include/cocpp/sync/co_counting_semaphore.h）：

template <std::ptrdiff_t LeastMaxValue>void co_counting_semaphore<LeastMaxValue>::release_one__(){    std::unique_lock<co_mutex> lock(mu__);    assert(desired__ >= 0 && desired__ <= LeastMaxValue);    while (desired__ == LeastMaxValue)    {        full_cond__.wait(lock);    }    ++desired__;    empty_cond__.notify_one();}
template <std::ptrdiff_t LeastMaxValue>void co_counting_semaphore<LeastMaxValue>::release(std::ptrdiff_t update){    for (std::ptrdiff_t i = 0; i < update; ++i)    {        release_one__();    }}

复制代码

其中 release_one__与 acquire 是类似的，这里不做赘述。

可以看到，因为 release 支持同时释放多个资源，因此它是多次调用 release_one__。

其余的几个接口都很简单，这里就不一一介绍了。

二值信号量

顾名思义，二值信号量就是只有一个空间的信号量，定义如下（include/cocpp/sync/co_binary_semaphore.h）：

using co_binary_semaphore = co_counting_semaphore<1>; // 二进制信号量

复制代码

总结

本文介绍的条件变量与信号量的实现。其中条件变量其实就是 std::condition_variable_any，并不关心底层的操作对象。而计数信号量是典型的生产者消费者写法，二值信号量是计数信号量的一个特例。

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原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/b1859904d4004c75b55b35a33】。文章转载请联系作者。

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