让你的程序更优雅的sleep


作者:littlewhite

sleep的作用无需多说,几乎每种语言都提供了类似的函数,调用起来也很简单。sleep的作用无非是让程序等待若干时间,而为了达到这样的目的,其实有很多种方式,最简单的往往也是最粗暴的,我们就以下面这段代码来举例说明(注:本文提及的程序编译运行环境为Linux

/* filename: test.cpp */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>

class TestServer
{
public:
    TestServer() : run_(true) {};
    ~TestServer(){};

    void Start()
    {
        pthread_create(&thread_, NULL, ThreadProc, (void*)this);
    }
    void Stop()
    {
        run_ = false;
    }
    void Wait()
    {
        pthread_join(thread_, NULL);
    }
    void Proc()
    {
        int count = 0;
        while (run_)
        {
            printf("sleep count:%d\n", ++count);
            sleep(5);
        }
    }

private:
    bool run_;
    pthread_t thread_;

    static void* ThreadProc(void* arg)
    {
        TestServer* me = static_cast<TestServer*>(arg);
        me->Proc();
        return NULL;
    }
};

TestServer g_server;

void StopService()
{
    g_server.Stop();
}

void StartService()
{
    g_server.Start();
    g_server.Wait();
}

void SignalHandler(int sig)
{
    switch(sig)
    {
        case SIGINT:
            StopService();
        default:
            break;
    }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    signal(SIGINT, SignalHandler);
    StartService();
    return 0;
}

这段代码描述了一个简单的服务程序,为了简化我们省略了服务的处理逻辑,也就是Proc函数的内容,这里我们只是周期性的打印某条语句,为了达到周期性的目的,我们用sleep来实现,每隔5秒钟打印一次。在main函数中我们对SIGINT信号进行了捕捉,当程序在终端启动之后,如果你输入ctr+c,这会向程序发送中断信号,一般来说程序会退出,而这里我们捕捉到了这个信号,会按我们自己的逻辑来处理,也就是调用server的Stop函数。执行编译命令

g++ test.cpp -o test -lpthread

然后在终端输入./test运行程序,这时程序每隔5秒会在屏幕上打印一条语句,按下ctl+c,你会发现程序并没有立即退出,而是等待了一会儿才退出,究其原因,当按下ctl+c发出中断信号时,程序捕捉到并执行自己的逻辑,也就是调用了server的Stop函数,运行标记位run_被置为false,Proc函数检测到run_为false则退出循环,程序结束,但有可能(应该说大多数情况都是如此)此时Proc正好执行到sleep那一步,而sleep是将程序挂起,由于我们捕捉到了中断信号,因此它不会退出,而是继续挂起直到时间满足为止。这个sleep显然显得不够优雅,下面介绍两种能快速退出的方式。

自定义sleep

在我们调用系统提供的sleep时我们是无法在函数内部做其它事情的,基于此我们就萌生出一种想法,如果在sleep中能够检测到退出变量,那岂不是就能快速退出了,没错,事情就是这样子的,通过自定义sleep,我们将时间片分割成更小的片段,每隔一个片段检测一次,这样就能将程序的退出延迟时间缩小为这个更小的片段,自定义的sleep如下

void sleep(int seconds, const bool* run)
{
    int count = seconds * 10;
    while (*run && count > 0)
    {
        --count;
        usleep(100000);
    }
}

需要注意的是,这个sleep的第二个参数必须是指针类型的,因为我们需要检测到它的实时值,而不只是使用它传入进来的值,相应的函数调用也得稍作修改,完整的代码如下

/* filename: test2.cpp */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>

class TestServer
{
public:
    TestServer() : run_(true) {};
    ~TestServer(){};

    void Start()
    {
     pthread_create(&thread_, NULL, ThreadProc, (void*)this);
    }

    void Stop()
    {
       run_ = false;
    }

    void Wait()
    {
        pthread_join(thread_, NULL);
    }

    void Proc()
    {
        int count = 0;
        while (run_)
        {
            printf("sleep count:%d\n", ++count);
            sleep(5, &run_);
        }
    }

private:
    bool run_;
    pthread_t thread_;

    void sleep(int seconds, const bool* run)
    {
        int count = seconds * 10;
        while (*run && count > 0)
        {
            --count;
            usleep(100000);

        }
    }

    static void* ThreadProc(void* arg)
    {
        TestServer* me = static_cast<TestServer*>(arg);
        me->Proc();
        return NULL;
    }
};

TestServer g_server;

void StopService()
{
   g_server.Stop();
}

void StartService()
{
    g_server.Start();
   g_server.Wait();
}

void SignalHandler(int sig)
{
    switch(sig)
    {
        case SIGINT:
            StopService();
        default:
            break;
    }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    signal(SIGINT, SignalHandler);
    StartService();
    return 0;
}

编译g++ test2.cpp -o test,运行./test,当程序启动之后按ctl+c,看程序是不是很快就退出了。

其实这种退出并不是立马退出,而是将sleep的等待时间分成了更小的时间片,上例是0.1秒,也就是说在按下ctr+c之后,程序其实还会延时0到0.1秒才会退出,只不过这个时间很短,看上去就像立马退出一样。

用条件变量实现sleep

大致的思想就是,在循环时等待一个条件变量,并设置超时时间,如果在这个时间之内有其它线程触发了条件变量,等待会立即退出,否则会一直等到设置的时间,这样就可以通过对条件变量的控制来实现sleep,并且可以在需要的时候立马退出。

条件变量往往会和互斥锁搭配使用,互斥锁的逻辑很简单,如果一个线程获取了互斥锁,其它线程就无法获取,也就是说如果两个线程同时执行到了pthread_mutex_lock语句,只有一个线程会执行完成,而另一个线程会阻塞,直到有线程调用pthread_mutex_unlock才会继续往下执行。所以我们往往在多线程访问同一内存区域时会用到互斥锁,以防止多个线程同时修改某一块内存区域。本例用到的函数有如下几个,互斥锁相关函数有

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

以上函数功能分别是初始化、加锁、解锁、销毁。条件变量相关函数有

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

以上函数功能分别是初始化、超时等待条件变量、触发条件变量、销毁。这里需要解释一下pthread_cond_timedwait和pthread_cond_signal函数

pthread_cond_timedwait
这个函数调用之后会阻塞,也就是类似sleep的作用,但是它会在两种情况下被唤醒:1、条件变量cond被触发时;2、系统时间到达abstime时,注意这里是绝对时间,不是相对时间。它比sleep的高明之处就在第一点。另外它还有一个参数是mutex,当执行这个函数时,它的效果等同于在函数入口处先对mutex加锁,在出口处再对mutex解锁,当有多线程调用这个函数时,可以按这种方式去理解

pthread_cond_signal
它只有一个参数cond,作用很简单,就是触发等待cond的线程,注意,它一次只会触发一个,如果要触发所有等待cond的县城,需要用到pthread_cond_broadcast函数,参数和用法都是一样的

有了以上背景知识,就可以更加优雅的实现sleep,主要关注Proc函数和Stop函数,完整的代码如下

/* filename: test3.cpp */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

class TestServer
{
public:
    TestServer() : run_(true) 
    {
        pthread_mutex_init(&mutex_, NULL);
        pthread_cond_init(&cond_, NULL);
    };
    ~TestServer()
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);
        pthread_cond_destroy(&cond_);
    };

    void Start()
    {
        pthread_create(&thread_, NULL, ThreadProc, (void*)this);
    }

    void Stop()
    {
        run_ = false;
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
        pthread_cond_signal(&cond_);
        pthread_mutex_unlock(&mutex_);
   }

    void Wait()
    {
        pthread_join(thread_, NULL);
    }

    void Proc()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
        struct timeval now;
        int count = 0;
        while (run_)
        {
            printf("sleep count:%d\n", ++count);
            gettimeofday(&now, NULL);
            struct timespec outtime;
            outtime.tv_sec = now.tv_sec + 5;
            outtime.tv_nsec = now.tv_usec * 1000;
            pthread_cond_timedwait(&cond_, &mutex_, &outtime);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex_);
    }

private:
    bool run_;
    pthread_t thread_;
    pthread_mutex_t mutex_;
    pthread_cond_t cond_;

    static void* ThreadProc(void* arg)
    {
        TestServer* me = static_cast<TestServer*>(arg);
        me->Proc();
        return NULL;
    }
};

TestServer g_server;

void StopService()
{
    g_server.Stop();
}

void StartService()
{
    g_server.Start();
    g_server.Wait();
}

void SignalHandler(int sig)
{
    switch(sig)
    {
        case SIGINT:
            StopService();
        default:
            break;
    }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    signal(SIGINT, SignalHandler);
    StartService();
    return 0;
}

和test2.cpp一样,编译之后运行,程序每隔5秒在屏幕打印一行输出,输入ctr+c,程序会立马退出

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