Boost Thread学习笔记二

除了thread，boost::thread另一个重要组成部分是mutex，以及工作在mutex上的boost::mutex::scoped_lock、condition和barrier，这些都是为实现线程同步提供的。

mutex
boost提供的mutex有6种：
boost::mutex
boost::try_mutex
boost::timed_mutex
boost::recursive_mutex
boost::recursive_try_mutex
boost::recursive_timed_mutex
下面仅对boost::mutex进行分析。
mutex类是一个CriticalSection（临界区）封装类，它在构造函数中新建一个临界区并InitializeCriticalSection，然后用一个成员变量
void* m_mutex;
来保存该临界区结构。
除 此之外，mutex还提供了do_lock、do_unlock等方法，这些方法分别调用EnterCriticalSection、 LeaveCriticalSection来修改成员变量m_mutex（CRITICAL_SECTION结构指针）的状态，但这些方法都是private的，以防止我们直接对mutex进行锁操作，所有的锁操作都必须通过mutex的友元类detail::thread::lock_ops<mutex>来完成，比较有意思的是，lock_ops的所有方法：lock、unlock、trylock等都是static的，如lock_ops<Mutex>::lock的实现：

 1 template <typename Mutex>
 2 class lock_ops : private noncopyable
 3 {
 4 
 5 public:
 6     static void lock(Mutex& m)
 7     {
 8         m.do_lock();
 9     }
10 
11 }

boost::thread的设计者为什么会这么设计呢？我想大概是：
1、boost::thread的设计者不希望被我们直接操作mutex，改变其状态，所以mutex的所有方法都是private的（除了构造函数，析构函数）。
2、虽然我们可以通过lock_ops来修改mutex的状态，如：

 1 #include <boost/thread/thread.hpp>
 2 #include <boost/thread/mutex.hpp>
 3 #include <boost/thread/detail/lock.hpp>
 4 
 5 int main()
 6 {
 7     boost::mutex mt;
 8     //mt.do_lock();        // Error! Can not access private member!
 9 
10     boost::detail::thread::lock_ops<boost::mutex>::lock(mt);
11 
12     return 0;
13 }

但是，这是不推荐的，因为mutex、scoped_lock、condition、barrier是一套完整的类系，它们是相互协同工作的，像上面这么操作没有办法与后面的几个类协同工作。
scoped_lock
上面说过，不应该直接用lock_ops来操作mutex对象，那么，应该用什么呢？答案就是scoped_lock。与存在多种mutex一样，存在多种与mutex对应的scoped_lock：

scoped_lock
scoped_try_lock
scoped_timed_lock

这里我们只讨论scoped_lock。
scoped_lock是定义在namespace boost::detail::thread下的，为了方便我们使用（也为了方便设计者），mutex使用了下面的typedef：
typedef detail::thread::scoped_lock<mutex> scoped_lock;
这样我们就可以通过：
boost::mutex::scoped_lock
来使用scoped_lock类模板了。
由于scoped_lock的作用仅在于对mutex加锁/解锁（即使mutex EnterCriticalSection/LeaveCriticalSection），因此，它的接口也很简单，除了构造函数外，仅有lock/unlock/locked（判断是否已加锁），及类型转换操作符void*，一般我们不需要显式调用这些方法，因为scoped_lock的构造函数是这样定义的：

1 explicit scoped_lock(Mutex& mx, bool initially_locked=true)
2     : m_mutex(mx), m_locked(false)
3 {
4     if (initially_locked) lock();
5 }

注：m_mutex是一个mutex的引用。
因此，当我们不指定initially_locked参数构造一个scoped_lock对象 时，scoped_lock会自动对所绑定的mutex加锁，而析构函数会检查是否加锁，若已加锁，则解锁；当然，有些情况下，我们可能不需要构造时自动 加锁，这样就需要自己调用lock方法。后面的condition、barrier也会调用scoped_lock的lock、unlock方法来实现部 分方法。
正因为scoped_lock具有可在构造时加锁，析构时解锁的特性，我们经常会使用局部变量来实现对mutex的独占访问。

 1 #include <boost/thread/thread.hpp>
 2 #include <boost/thread/mutex.hpp>
 3 #include <iostream>
 4 
 5 boost::mutex io_mutex;
 6 
 7 void count()    // worker function
 8 {
 9     for (int i = 0; i < 10; ++i)
10     {
11         boost::mutex::scoped_lock lock(io_mutex);
12         std::cout << i << std::endl;
13     }
14 }
15 
16 int main(int argc, char* argv[])
17 {
18     boost::thread thrd1(&count);
19     boost::thread thrd2(&count);
20     thrd1.join();
21     thrd2.join();
22 
23     return 0;
24 }

在每次输出信息时，为了防止整个输出过程被其它线程打乱，通过对io_mutex加锁（进入临界区），从而保证了输出的正确性。
在使用 scoped_lock时，我们有时候需要使用全局锁（定义一个全局mutex，当需要独占访问全局资源时，以该全局mutex为参数构造一个 scoped_lock对象即可。全局mutex可以是全局变量，也可以是类的静态方法等），有时候则需要使用对象锁（将mutex定义成类的成员变 量），应该根据需要进行合理选择。
Java的synchronized可用于对方法加锁，对代码段加锁，对对象加锁，对类加锁（仍然是对象级 的），这几种加锁方式都可以通过上面讲的对象锁来模拟；相反，在Java中实现全局锁好像有点麻烦，必须将请求封装到类中，以转换成上面的四种 synchronized形式之一。

condition
condition的接口如下：

 1 class condition : private boost::noncopyable   // Exposition only
 2 {
 3 public:
 4   // construct/copy/destruct
 5   condition();
 6   ~condition();
 7 
 8   // notification
 9   void notify_one();
10   void notify_all();
11 
12   // waiting
13   template<typename ScopedLock> void wait(ScopedLock&);
14   template<typename ScopedLock, typename Pred> void wait(ScopedLock&, Pred);
15   template<typename ScopedLock>
16     bool timed_wait(ScopedLock&, const boost::xtime&);
17   template<typename ScopedLock, typename Pred>
18     bool timed_wait(ScopedLock&, Pred);
19 };

其中wait用于等待某个condition的发生，而timed_wait则提供具有超时的wait功能，notify_one用于唤醒一个等待该condition发生的线程，notify_all则用于唤醒所有等待该condition发生的线程。

由于condition的语义相对较为复杂，它的实现也是整个boost::thread库中最复杂的（对Windows版本而言，对支持pthread的版本而言，由于pthread已经提供了pthread_cond_t，使得condition实现起来也十分简单），下面对wait和notify_one进行简要分析。
condition内部包含了一个condition_impl对象，由该对象执行来处理实际的wait、notify_one...等操作。