C++并发编程：线程安全链表

问题描述

最近遇到这么一个问题，一个处理路径的函数，在多线程中被调用，我需要记录某个状态的路径，并在后续当再次处于某个状态时，从链表中将其取出。
为了满足这个需求，用来存储的数据结构要满足：

1. 线程安全：防止在多线程中错误地对一个变量进行修改
2. 便于查询
3. 便于插入、删除
   最终想来选择了线程安全的链表，同时备选的队列，但队列不满足便于查询。

工程实践

作为一个“资深”程序员，我已经熟练掌握了从浩如烟海的百度中用CV大法来进行开发的武功。
所以，我很快地搜索到一段代码：

#include 

#include 
#include 

template   // 模板
class ThreadsafeList
{
    struct node   // 定义链表节点
    {
        std::mutex m;   // 互斥体，用来保证线程安全，锁住节点
        std::shared_ptr data;     // 数据，不必多讲
        std::unique_ptr next;   // 指向下一个节点

        node() : next(){}

        node(T const& value) : data(std::make_shared(value))    // 拷贝构造函数
        {}
    };

    node head;     

public:
    ThreadsafeList()
    {}

    ~ThreadsafeList()
    {
        remove_if([](T const&) {return true; });
    }

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

    void push_front(T const& value)      // 在头节点插入函数
    {
        std::unique_ptr new_node(new node(value));     // 创建一个新的节点
        std::lock_guard lk(head.m);      // 锁
        new_node->next = std::move(head.next);     
        head.next = std::move(new_node);
    }

    template
    void for_each(Function f)  // 遍历函数
    {
        node* current = &head;
        std::unique_lock lk(head.m);    // 对头节点上锁
        while (node* const next = current->next.get())
        {
            std::unique_lock next_lk(next->m);   // 上锁
            lk.unlock();                                                 // 对上个节点解锁
            f(*next->data);
            current = next;
            lk = std::move(next_lk);
        }
    }

    template
    std::shared_ptr find_first_if(Predicate p)   // 查询函数
    {
        node* current = &head;
        std::unique_lock lk(head.m);
        while (node* const next = current->next.get())
        {
            std::unique_lock next_lk(next->m);
            lk.unlock();
            if (p(*next->data))
            {
                return next->data;
            }
            current = next;
            lk = std::move(next_lk);
        }
        return std::shared_ptr();
    }

    template
    void remove_if(Predicate p)   // 删除函数
    {
        node* current = &head;
        std::unique_lock lk(head.m);
        while (node* const next = current->next.get())
        {
            std::unique_lock next_lk(next->m);
            if (p(*next->data))
            {
                std::unique_ptr old_next = std::move(current->next);
                current->next = std::move(next->next);
                next_lk.unlock();
            }
            else
            {
                lk.unlock();
                current = next;
                lk = std::move(next_lk);
            }
        }
    }
};


int main()
{
    //简单函数功能测试
    ThreadsafeList list;
    list.push_front(1);
    list.for_each([](const int& item) {
        std::cout << item << " ";
        });
    std::cout << std::endl;
    std::shared_ptr ptr=list.find_first_if([](const int& item) {return item == 1; });
    if (ptr.get()!=nullptr) {
        std::cout << *ptr << std::endl;
    }
}

代码分析

在类ThreadSafeList中直接声明了一个结构体变量，比较少见，我也顺手查了一下。

这种方法和在面定义结构体，没什么区别，但是这里需要主义的是，在引用node节点的时候，没有public、private等，所以他是私有的。

class中默认的成员访问权限是private的，而struct中则是public的。

结构体中定义了一个互斥体，这就是保障线程安全的关键所在，每次要对节点进行操作的时候，就先上锁。

 struct node   // 定义链表节点
    {
        std::mutex m;   // 互斥体，用来保证线程安全，锁住节点
        std::shared_ptr<T> data;     // 数据，不必多讲
        std::unique_ptr<node> next;   // 指向下一个节点

        node() : next(){}

        node(T const& value) : data(std::make_shared<T>(value))    // 拷贝构造函数
        {}
    };

以查询函数为例：
std::unique_lockstd::mutex next_lk(next->m); 这是上锁操作，且使用的是unique_lock，这样就有俩种解锁方式，一种是unlock()，第二种就是在析构函数中解锁了，这也防止我们忘记解锁，这也满足了RAII原则。

    template<typename Predicate>
    std::shared_ptr<T> find_first_if(Predicate p)   // 查询函数
    {
        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))
            {
                return next->data;
            }
            current = next;
            lk = std::move(next_lk);
        }
        return std::shared_ptr<T>();
    }

综上所述，这个类是满足我们选择“线程安全链表”的需求的

代码测试

写一个例子来测试一下。
这是我模拟我的需求写的一个简易例子，多线程对类中同一个数据链表进行读写访问，经过检测，没有出现问题！

// ThreadSafe.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//

#include 
#include 
#include "thread_safe_list.hpp"
class ThreadSafeListTest
{
public:
    ThreadSafeListTest();
    ~ThreadSafeListTest();
    void thread_safe_list_test1();
    void thread_safe_list_test2();
    void thread_safe_list_test3();
private:
    ThreadsafeList<std::string> _name_list;
};

ThreadSafeListTest::ThreadSafeListTest()
{
}

ThreadSafeListTest::~ThreadSafeListTest()
{
}

void ThreadSafeListTest::thread_safe_list_test1()
{
    std::string target_name = "james";
    _name_list.push_front("harden");

    auto name = _name_list.find_first_if([target_name](const std::string& name) {return target_name == name; });
    if (name != nullptr)
    {
        _name_list.remove_if([target_name](const std::string& name) {return target_name == name; });
    }
}
void ThreadSafeListTest::thread_safe_list_test2()
{
    std::string target_name = "james";
    _name_list.push_front("curry");

    auto name = _name_list.find_first_if([target_name](const std::string& name) {return target_name == name; });
    if (name != nullptr)
    {
        _name_list.remove_if([target_name](const std::string& name) {return target_name == name; });
    }
}
void ThreadSafeListTest::thread_safe_list_test3()
{
    std::string target_name = "Fakejamesjames";
    _name_list.push_front("james");

    auto name = _name_list.find_first_if([target_name](const std::string& name) {return target_name == name; });
    if (name != nullptr)
    {
        _name_list.remove_if([target_name](const std::string& name) {return target_name == name; });
    }
}

void test1(ThreadSafeListTest& tslt)
{
    while (true)
    {
        tslt.thread_safe_list_test1();
    }
}
void test2(ThreadSafeListTest& tslt)
{
    while (true)
    {
        tslt.thread_safe_list_test2();
    }
}
void test3(ThreadSafeListTest& tslt)
{
    while (true)
    {
        tslt.thread_safe_list_test3();
    }
}
int main()
{
    ThreadSafeListTest test;
    std::thread t1(test1, std::ref(test));
    std::thread t2(test2, std::ref(test));
    std::thread t3(test3, std::ref(test));

    t1.join(); // join和主线程不分离，一起结束
    t2.join();
    t3.join();

    system("pause");
    return 0;
}