muduo::BlockingQueue、BoundedBlockingQueue分析

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#muduo #生产者消费者 #blockingqueue

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本文详细介绍了阻塞队列的概念及其实现原理，包括无界缓冲的BlockingQueue和有界缓冲的BoundedBlockingQueue。通过具体示例展示了如何使用这两种队列实现生产者消费者模型，并提供了测试代码。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

BlockingQueue
BoundedBlockingQueue

在学习源码之前，先了解一个概念：有界缓冲和无界缓冲。

以生产者、消费者模型。
有界缓冲是指生产者在向仓库添加数据时要先判断仓库是否已满，如果已满则通知消费者来取走数据。消费者在消费时，先判断仓库是否已空，如果是则先通知生产者生产数据。

BlockingQueue

在无界缓冲中，生产者不用关心仓库是否已满，只需添加数据;消费者在判断仓库已空时要等待生产者的信号。这时只需要用一个信号量。

BlockingQueue就是这样的一个模型

template<typename T>
class BlockingQueue : boost::noncopyable
{
 public:
  BlockingQueue()
    : mutex_(),//先初始化互斥量
      notEmpty_(mutex_),//再用互斥量初始化信号了
      queue_()
  {
  }

  void put(const T& x)//生产数据
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    queue_.push_back(x);
    notEmpty_.notify(); // wait morphing saves us
    // http://www.domaigne.com/blog/computing/condvars-signal-with-mutex-locked-or-not/
  }

#ifdef __GXX_EXPERIMENTAL_CXX0X__
  void put(T&& x)//右值
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    queue_.push_back(std::move(x));
    notEmpty_.notify();
  }
  // FIXME: emplace()
#endif

  T take()//消费数据
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    // always use a while-loop, due to spurious wakeup
    while (queue_.empty())//仓库已空
    {
      notEmpty_.wait();//等待生产者信号
    }
    assert(!queue_.empty());
#ifdef __GXX_EXPERIMENTAL_CXX0X__
    T front(std::move(queue_.front()));
#else
    T front(queue_.front());
#endif
    queue_.pop_front();
    return front;
  }

  size_t size() const
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    return queue_.size();
  }

 private:
  mutable MutexLock mutex_;//互斥量
  Condition         notEmpty_;//信号量
  std::deque<T>     queue_;//仓库
};

可以写个生产者消费者测试代码，有了这个BlockingQueue，不用自己在管理互斥量和信号量了。

#include <muduo/base/BlockingQueue.h>
#include <muduo/base/Thread.h>

#include <boost/bind.hpp>
#include <boost/shared_ptr.hpp>

#include <iostream>
using namespace muduo;

using namespace boost;

void Produce(shared_ptr<BlockingQueue<int> > queue)
{
    while(true)
    {
        int product=rand()%1000+1;
        std::cout<<"Produce: "<<product<<std::endl;
        queue->put(product);
        sleep(rand()%5);
    }

}
void Consome(shared_ptr<BlockingQueue<int> > queue)
{
    while(true)
    {
        int product=queue->take();
        std::cout<<"Consome: "<<product<<std::endl;
    }
}
int main()
{
    shared_ptr<BlockingQueue<int> > blockingQueue(new BlockingQueue<int>);
    Thread t1(boost::bind(Produce, blockingQueue));
    Thread t2(boost::bind(Consome, blockingQueue));

    t1.start();
    t2.start();

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

BoundedBlockingQueue

与BlockingQueue不同，BoundedBlockingQueue是有边界的，即仓库是有限的。这时仓库有四个状态：非空、已空;非满、已满。

当生产者生产时，会先判断仓库是否已满，如果是则等待仓库非满的信号;否则则向仓库添加货物，之后通知消费者仓库非空。

当消费者取货物时会先判断仓库是否为空，如果是则等待仓库非空信号;否则取走货物，通知生产者仓库非满。

这时候实现生产者消费者模型时需要2个信号量，一个是非空，表示消费者可以消费了;一个是非满，表示生产者可以生产了。源码如下：

template<typename T>
class BoundedBlockingQueue : boost::noncopyable
{
 public:
  explicit BoundedBlockingQueue(int maxSize)//最大容量
    : mutex_(),
      notEmpty_(mutex_),
      notFull_(mutex_),
      queue_(maxSize)
  {
  }

  void put(const T& x)
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    while (queue_.full())//仓库已满
    {
      notFull_.wait();//等待非满信号，即消费者消费后会通知
    }
    assert(!queue_.full());
    queue_.push_back(x);
    notEmpty_.notify();//通知消费者仓库已经有货（非空）
  }

  T take()
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    while (queue_.empty())//仓库已空
    {
      notEmpty_.wait();//等待生产者向仓库添加货物
    }
    assert(!queue_.empty());
    T front(queue_.front());
    queue_.pop_front();
    notFull_.notify();//通知生产者仓库已经非空了
    return front;
  }

  bool empty() const
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    return queue_.empty();
  }

  bool full() const
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    return queue_.full();
  }

  size_t size() const
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    return queue_.size();
  }

  size_t capacity() const
  {
    MutexLockGuard lock(mutex_);
    return queue_.capacity();
  }

 private:
  mutable MutexLock          mutex_;
  Condition                  notEmpty_;//非空信号量
  Condition                  notFull_;//非满信号量
  boost::circular_buffer<T>  queue_;
};

测试代码：

//boundedBlokcingQueue.cpp

#include <muduo/base/BoundedBlockingQueue.h>
#include <muduo/base/Thread.h>

#include <boost/bind.hpp>
#include <boost/shared_ptr.hpp>

#include <iostream>
using namespace muduo;

using namespace boost;

void Produce(shared_ptr<BoundedBlockingQueue<int> > queue)
{
    while(true)
    {
        int product=rand()%1000+1;
        std::cout<<"Produce: "<<product<<std::endl;
        queue->put(product);
        sleep(rand()%5);
    }

}
void Consome(shared_ptr<BoundedBlockingQueue<int> > queue)
{
    while(true)
    {
        int product=queue->take();
        std::cout<<"Consome: "<<product<<std::endl;
        sleep(rand()%5);
    }
}
int main()
{
    shared_ptr<BoundedBlockingQueue<int> > boundedBlockingQueue(new BoundedBlockingQueue<int>(5));
    Thread t1(boost::bind(Produce, boundedBlockingQueue));
    Thread t2(boost::bind(Consome, boundedBlockingQueue));

    t1.start();
    t2.start();

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}