C++ 将异步定时器提升到运行与程序并行

Question

注意：这是针对 C++98

我正在尝试开发一个在我的主程序后台运行的简单 timer/counter。

我以前没有使用过异步定时器，我一直在尝试按照 boost 教程学习如何做到这一点，但它们似乎仍然阻碍了我的主要功能。我从 boost 网站稍微修改了 Timer.3 以进行实验。

本质上，下面的程序我想做的是：

运行主要
执行测试运行() 计数到 5
同时test运行()在计数，在main中打印"TEST ABC"。

main.cpp

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/bind.hpp>
#include <boost/date_time/posix_time/posix_time.hpp>

void print(const boost::system::error_code& /*e*/, boost::asio::deadline_timer* t, int* count)
{
  if (*count < 5)
  {
    std::cout << *count << std::endl;
    ++(*count);

    t->expires_at(t->expires_at() + boost::posix_time::seconds(1)); // every 1 second advance
    t->async_wait(boost::bind(print, boost::asio::placeholders::error, t, count));
  }
  std::cout << " PRINT " << std::endl;
}

void testRun()
{
  boost::asio::io_service io;

  int count = 0;
  boost::asio::deadline_timer t(io, boost::posix_time::seconds(2)); // start io object (function) after 2 seconds.
  t.async_wait(boost::bind(print, boost::asio::placeholders::error, &t, &count));

  io.run();
  std::cout << "Final count is " << count << std::endl;
}

int main()
{
  testRun();
  std::cout << " TEST ABC " << std::endl;
  return 0;
}

输出

0
 PRINT 
1
 PRINT 
2
 PRINT 
3
 PRINT 
4
 PRINT 
 PRINT 
Final count is 5
 TEST ABC

我希望我的输出看起来像：

 TEST ABC 
0
 PRINT 
1
 PRINT 
2
 PRINT 
3
 PRINT 
4
 PRINT 
 PRINT 
Final count is 5

Answer 1

为了解构手头的任务，我将从一个简单的 C++98 实现开始。

我们会将其清理为现代 C++，然后替换为 Asio。

您会发现 Asio 不需要线程，这很好。但是我们必须回到过去，用 C++98 替换现代 C++。

最后，您将了解加入现代 C++ 的所有原因，以及如何组织代码以轻松管理复杂性。

C++98

下面是我在 c++98 中的写法：

Live On Coliru

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <unistd.h>

static pthread_mutex_t s_mutex = {};
static bool s_running = true;

static bool is_running(bool newvalue) {
    pthread_mutex_lock(&s_mutex);
    bool snapshot = s_running;
    s_running = newvalue;
    pthread_mutex_unlock(&s_mutex);
    return snapshot;
}

static bool is_running() {
    pthread_mutex_lock(&s_mutex);
    bool snapshot = s_running;
    pthread_mutex_unlock(&s_mutex);
    return snapshot;
}

static void output(std::string const& msg) {
    pthread_mutex_lock(&s_mutex);
    std::cout << msg << "\n";
    pthread_mutex_unlock(&s_mutex);
}

static void* count_thread_func(void*) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        ::sleep(1);
        std::ostringstream oss;
        oss << "COUNTER AT " << (i+1);
        output(oss.str());
    }
    is_running(false);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thr = {0};
    pthread_create(&thr, NULL, &count_thread_func, NULL);

    while (is_running()) {
        ::usleep(200000);
        output("TEST_ABC");
    }

    pthread_join(thr, NULL);
}

版画

TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 1
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 2
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 3
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 4
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 5
TEST_ABC

C++11

好吧，上面的内容几乎不是 C++。它实际上是 "same" 但在 C 中使用 printf 更方便。以下是 C++11 的改进方式：

std::thread，std::atomic_bool，std::chono，std::this_thread，std::to_string，std::mutex/lock_guard，更好的初始化。

Live On Coliru

#include <thread>
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <mutex>
#include <atomic>
using std::chrono::milliseconds;
using std::chrono::seconds;

static std::mutex s_mutex;
static std::atomic_bool s_running {true};

static void output(std::string const& msg) {
    std::lock_guard<std::mutex> lk(s_mutex);
    std::cout << msg << "\n";
}

static void count_thread_func() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::this_thread::sleep_for(seconds(1));
        output("COUNTER AT " + std::to_string(i+1));
    }

    s_running = false;
}

int main() {
    std::thread th(count_thread_func);

    while (s_running) {
        std::this_thread::sleep_for(milliseconds(200));
        output("TEST_ABC");
    }

    th.join();
}

相同的输出，但更清晰。此外，还有更多保证。我们可以只用 th.detach() 分离线程，或者将我们想要的任何参数传递给线程函数，而不是 void* 舞蹈。

C++17

C++14 adds some more (chrono literals), C++17 only marginally (fold expressions used here to have natural ostream-access):

Live On Coliru only. Note this is down to 35 LoC

回到 C++1x：ASIO

转换成 ASIO 完全不需要线程，用异步定时器代替睡眠。

因为没有线程，所以不需要任何锁定，简化了生活。

我们不需要 "running" 标志，因为如果需要，我们可以停止服务或取消计时器。

整个程序归结为：

由于我们必须在一个时间间隔执行运行任务，让我们将其机制放在一个简单的 class 中，这样我们就不必重复了：

// simple wrapper that makes it easier to repeat on fixed intervals
struct interval_timer {
    interval_timer(boost::asio::io_context& io, Clock::duration i, Callback cb)
        : interval(i), callback(cb), timer(io)
    {}

    void run() {
        timer.expires_from_now(interval);
        timer.async_wait([=](error_code ec) {
            if (!ec && callback())
                run();
        });
    }

    void stop() {
        timer.cancel();
    }

  private:
    Clock::duration const interval; 
    Callback callback;
    boost::asio::high_resolution_timer timer;
};

这对我来说似乎不言自明。整个程序现在归结为：

int main() {
    boost::asio::io_context io;

    interval_timer abc { io, 200ms, [] {
        std::cout << "TEST_ABC" << std::endl;
        return true;
    } };

    interval_timer counter { io, 1s, [&abc, current=0]() mutable {
        std::cout << "COUNTER AT " << ++current << std::endl;

        if (current < 5)
            return true;

        abc.stop();
        return false;
    } };

    abc.run();
    counter.run();

    io.run();
}

看到了Live On Coliru.

We can simplify it a bit more if we use run_for to limit the execution (so we don't have to deal with exiting ourselves): Live On Coliru, down to 44 LoC

#include <boost/asio.hpp>
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <functional>
using namespace std::chrono_literals;
using Clock = std::chrono::high_resolution_clock;
using Callback = std::function<void()>;
using boost::system::error_code;

// simple wrapper that makes it easier to repeat on fixed intervals
struct interval_timer {
    interval_timer(boost::asio::io_context& io, Clock::duration i, Callback cb)
        : interval(i), callback(cb), timer(io)
    { run(); }

  private:
    void run() {
        timer.expires_from_now(interval);
        timer.async_wait([=](error_code ec) {
            if (!ec) {
                callback();
                run();
            }
        });
    }

    Clock::duration const interval; 
    Callback callback;
    boost::asio::high_resolution_timer timer;
};

int main() {
    boost::asio::io_context io;

    interval_timer abc { io, 200ms, [] {
        std::cout << "TEST_ABC" << std::endl;
    } };

    interval_timer counter { io, 1s, [current=0]() mutable {
        std::cout << "COUNTER AT " << ++current << std::endl;
    } };

    io.run_for(5s);
}

回到 C++98

没有 lambda。好的，我们可以使用 boost::bind 或者自己写一些 class。你选你的毒，我选合剂：

boost::bind因为它是那个时代的工具（我们说的是20年前）
使用虚拟方法代替 std::function 用于 callback。
lambda 捕获已替换为显式成员变量。

这一切都变得不那么优雅了，但基本上可以识别为同一件事：

Live On Coliru

#include <boost/asio.hpp>
#include <iostream>
#include <boost/bind.hpp>
using boost::posix_time::seconds;
using boost::posix_time::millisec;
typedef boost::posix_time::microsec_clock Clock;
using boost::system::error_code;

// simple wrapper that makes it easier to repeat on fixed intervals
struct interval_timer {
    interval_timer(boost::asio::io_context& io, millisec i)
        : interval(i), timer(io)
    { run(); }

    virtual bool callback() = 0;

    void run() {
        timer.expires_from_now(interval);
        timer.async_wait(boost::bind(&interval_timer::on_timer, this, boost::asio::placeholders::error()));
    }

    void stop() {
        timer.cancel();
    }

  private:
    void on_timer(error_code ec) {
        if (!ec && callback())
            run();
    }
    millisec const interval; 
    boost::asio::deadline_timer timer;
};

int main() {
    boost::asio::io_context io;

    struct abc_timer : interval_timer {
        abc_timer(boost::asio::io_context& io, millisec i) : interval_timer(io, i) {}
        virtual bool callback() {
            std::cout << "TEST_ABC" << std::endl;
            return true;
        }
    } abc(io, millisec(200));

    struct counter_timer : interval_timer {
        counter_timer(boost::asio::io_context& io, millisec i, interval_timer& abc)
            : interval_timer(io, i), abc(abc), current(0) {}

        virtual bool callback() {
            std::cout << "COUNTER AT " << ++current << std::endl;

            if (current < 5)
                return true;

            abc.stop();
            return false;
        }
      private:
        interval_timer& abc;
        int current;
    } counter(io, millisec(1000), abc);

    io.run();
}

输出还是一样可信

TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 1
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 2
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 3
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 4
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
TEST_ABC
COUNTER AT 5

The same transformation as earlier with run_for can be applied here as well, but we now have to link Boost Chrono because std::chrono didn't exist: Live On Coliru, still 56 LoC

C++ 将异步定时器提升到运行与程序并行

C++ boost asynchronous timer to run in parallel with program

c++

asynchronous

boost

c++98

asio

C++98

C++11

C++17

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C++ 将异步定时器提升到 运行 与程序并行

C++ boost asynchronous timer to run in parallel with program

c++

asynchronous

boost

c++98

asio

C++98

C++11

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C++ 将异步定时器提升到运行与程序并行