Linux平台上C语言实现异步队列的两种方法

Linux上目前有两种事件通知方式，一种是线程条件变量，一种是利用eventfd实现事件通知，下面介绍一下利用这两种方法实现异步队列的方法。

线程条件变量

相关函数介绍

• pthread_cond_init:初始化一个线程条件变量。
• pthread_cond_wait:等待条件触发。
• pthread_cond_signal:通知一个线程，线程条件发生。
• pthread_cond_timedwait:等待条件触发，可以设置超时时间。
• pthread_cond_reltimedwait_np:和pthread_cond_timedwait使用基本相同，区别是使用的是相对时间间隔而不是绝对时间间隔。
• pthread_cond_broadcast:通知所有等待线程，线程条件发生。
• pthread_cond_destroy:销毁条件变量。

唤醒丢失问题

如果线程未持有与条件相关联的互斥锁，则调用 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 会产生唤醒丢失错误。满足以下所有条件时，即会出现唤醒丢失问题：

• 一个线程调用 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast()
• 另一个线程已经测试了该条件，但是尚未调用 pthread_cond_wait()
• 没有正在等待的线程

信号不起作用，因此将会丢失，仅当修改所测试的条件但未持有与之相关联的互斥锁时，才会出现此问题。只要仅在持有关联的互斥锁同时修改所测试的条件，即可调用 pthread_cond_signal() 和 pthread_cond_broadcast()，而无论这些函数是否持有关联的互斥锁。

线程条件变量使用方法

get_resources(int amount)    
{    
    pthread_mutex_lock(&rsrc_lock);    
    while (resources < amount) 
   {    
        pthread_cond_wait(&rsrc_add, &rsrc_lock);
   }   
   resources -= amount;
   pthread_mutex_unlock(&rsrc_lock);

}

add_resources(int amount)
{

   pthread_mutex_lock(&rsrc_lock);
   resources += amount;
   pthread_cond_broadcast(&rsrc_add);
   pthread_mutex_unlock(&rsrc_lock);
}

eventfd

int eventfd(unsigned int initval, int flags);

eventfd是Linux提供内核态的事件等待/通知机制，内核维护了一个8字节的整型数，该整型数由initval来初始化，flags参数可以由以下值位或而来：

• EFD_CLOEXEC:设置该描述符的O_CLOEXEC标志。
• EFD_NONBLOCK:设置描述符为非阻塞模式。
• EFD_SEMAPHORE:设置描述符为信号量工作模式，在此模式下，read模式会使整型数减1并返回数值1。

当内核维护的8字节整型数为0时，read操作会阻塞，如果为fd设置为非阻塞模式，则返回EAGAIN错误。

简单的唤醒队列

下面我们实现一个简单的环形队列：

#define default_size 1024

typedef struct queue
{
    int header;
    int tail;
    int size;
    int capcity;
    void **_buf;
} queue_t;

queue_t *queue_create(int size)
{
    queue_t *q = malloc(sizeof (queue_t));
    if (q != NULL)
    {
        if (size > 0)
        {
            q->_buf = malloc(size);
            q->capcity = size;
        }
        else
        {
            q->_buf = malloc(default_size * sizeof (void *));
            q->capcity = default_size;
        }
        q->header = q->tail = q->size = 0;
    }

    return q;
}

int queue_is_full(queue_t *q)
{
    return q->size == q->capcity;
}

int queue_is_empty(queue_t *q)
{
    return q->size == 0;
}

void queue_push_tail(queue_t *q, void *data)
{
    if (!queue_is_full(q))
    {
        q->_buf[q->tail] = data;
        q->tail = (q->tail + 1) % q->capcity;
        q->size++;
    }
}

void *queue_pop_head(queue_t *q)
{
    void *data = NULL;
    if (!queue_is_empty(q))
    {
        data = q->_buf[(q->header)];
        q->header = (q->header + 1) % q->capcity;
        q->size--;
    }
    return data;
}

int *queue_free(queue_t *q)
{
    free(q->_buf);
    free(q);
}

线程变量实现的异步队列

typedef struct async_queue
{
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
    int waiting_threads;
    queue_t *_queue;
} async_queue_t;
async_queue_t *async_queue_create(int size)
{
    async_queue_t *q = malloc(sizeof (async_queue_t));
    q->_queue = queue_create(size);
    q->waiting_threads = 0;
    pthread_mutex_init(&(q->mutex), NULL);
    pthread_cond_init(&(q->cond), NULL);

    return q;
}

void async_queue_push_tail(async_queue_t *q, void *data)
{
    if (!queue_is_full(q->_queue))
    {
        pthread_mutex_lock(&(q->mutex));
        queue_push_tail(q->_queue, data);
        if (q->waiting_threads > 0)
        {
            pthread_cond_signal(&(q->cond));
        }
        pthread_mutex_unlock(&(q->mutex));
    }

}

void *async_queue_pop_head(async_queue_t *q, struct timeval *tv)
{
    void *retval = NULL;
    pthread_mutex_lock(&(q->mutex));
    if (queue_is_empty(q->_queue))
    {
        q->waiting_threads++;
        while (queue_is_empty(q->_queue))
        {
            pthread_cond_wait(&(q->cond), &(q->mutex));
        }
        q->waiting_threads--;
    }
    retval = queue_pop_head(q->_queue);
    pthread_mutex_unlock(&(q->mutex));
    return retval;
}

void async_queue_free(async_queue_t *q)
{
    queue_free(q->_queue);
    pthread_cond_destroy(&(q->cond));
    pthread_mutex_destroy(&(q->mutex));
    free(q);
}

eventfd实现的异步队列

typedef struct async_queue
{
    int efd; //event fd
    fd_set rdfds; //for select
    queue_t *_queue;
} async_queue_t;
async_queue_t *async_queue_create(int size)
{
    async_queue_t *q = malloc(sizeof (async_queue_t));

    q->efd = eventfd(0, EFD_SEMAPHORE|EFD_NONBLOCK);
    q->_queue = queue_create(size);
    FD_ZERO(&(q->rdfds));
    FD_SET(q->efd, &(q->rdfds));

    return q;
}

void async_queue_push_tail(async_queue_t *q, void *data)
{
    unsigned long long i = 1;
    if (!queue_is_full(q->_queue))
    {
        queue_push_tail(q->_queue, data);
        write(q->efd, &i, sizeof (i));
    }
}

void *async_queue_pop_head(async_queue_t *q, struct timeval *tv)
{
    unsigned long long i = 0;
    void *data = NULL;
    if (select(q->efd + 1, &(q->rdfds), NULL, NULL, tv) == 0)
    {
        return data;
    }
    else
    {
        read(q->efd, &i, sizeof (i));
        return queue_pop_head(q->_queue);
    }
}

void async_queue_free(async_queue_t *q)
{
    queue_free(q->_queue);
    close(q->efd);
    free(q);
}

总结

两种实现方法线程条件变量比较复杂，但是性能略高，而eventfd实现简单，但是性能略低。