C++17 STL Стандартная библиотека шаблонов

Одной из структур данных, часто применяемых для вывода данных, является std::cout. Если несколько потоков пытаются получить доступ к cout на конкурентной основе, то мы получим смешанные выходные данные. Чтобы это предотвратить, следует написать собственную функцию, которая выводит данные на экран и защищена от конкурентности.

Мы узнаем, как предоставить оболочку для cout, которая состоит из минимального объема кода и так же удобна в использовании, как и cout.

Как это делается

В этом примере мы реализуем программу, выводящую на экран данные на конкурентной основе из нескольких потоков. Чтобы предотвратить искажение сообщений из-за конкурентности, реализуем небольшой вспомогательный класс, который синхронизирует вывод данных между потоками.

1. Как и обычно, сначала укажем все директивы include и объявим об использовании пространства имен std:

#include

#include

#include

#include

#include

using namespace std;

2. Далее реализуем вспомогательный класс, который назовем pcout. Буква p означает «паралелльный», поскольку он синхронизирован для параллельных контекстов. Идея заключается в том, что pcout явно наследует от stringstream. Таким образом, можно применять operator<< для экземпляров этого класса. Как только экземпляр pcout уничтожается, его деструктор блокирует мьютекс, а затем выводит на экран содержимое буфера stringstream. На следующем шаге мы увидим, как это использовать.

struct pcout : public stringstream {

  static inline mutex cout_mutex;

  ~pcout() {

    lock_guard l {cout_mutex};

    cout << rdbuf();

    cout.flush();

  }

};

3. Теперь напишем две функции, которые можно выполнить с помощью дополнительных потоков. Обе функции принимают в качестве аргументов идентификаторы потоков. Затем они отличаются только тем, что одна из них использует для вывода данных непосредственно cout. Вторая же выглядит практически так же, но вместо непосредственного применения cout создает экземпляр pcout. Этот экземпляр представляет собой временный объект, существующий только для одной строки кода. После выполнения всех вызовов operator<< внутренний строковый поток заполняется всеми данными, которые мы бы хотели вывести. Затем вызывается деструктор для экземпляра типа pcout. Мы уже видели, что он делает: блокирует конкретный мьютекс, разделяемый всеми экземплярами класса pcout, и выводит данные на экран:

static void print_cout(int id)

{

  cout << "cout hello from " << id << '\n';

}

static void print_pcout(int id)

{

  pcout{} << "pcout hello from " << id << '\n';

}

4. Опробуем его. Сначала воспользуемся print_cout, которая для вывода данных просто обращается к cout. Запускаем десять потоков, конкурентно выводящих свои строки и ожидающих завершения:

int main()

{

  vector v;

  for (size_t i {0}; i < 10; ++i) {

    v.emplace_back(print_cout, i);

  }

  for (auto &t : v) { t.join(); }

5. Далее делаем то же самое для функции print_pcout:

  cout << "=====================\n";

  v.clear();

  for (size_t i {0}; i < 10; ++i) {

    v.emplace_back(print_pcout, i);

  }

  for (auto &t : v) { t.join(); }

}

6. Компиляция и запуск программы дадут следующий результат (рис. 9.3). Как видите, первые десять строк полностью перепутались. Именно так может выглядеть результат, когда cout используется конкурентно и без блокировки. Последние десять строк выведены с помощью print_pcout, никакой путаницы нет. Можно увидеть, что они выводятся из разных потоков, поскольку их порядок различается при каждом запуске программы.

Как это работает

О’кей, мы создали эту «оболочку для cout», которая автоматически сериализует последовательные попытки вывода текста. Как она работает?

Выполним те же действия, что и pcout, вручную. Сначала создаем строковый поток и принимаем входные данные, которые будем передавать в него:

stringstream ss;

ss << "This is some printed line " << 123 << '\n';

Затем блокируем глобально доступный мьютекс:

{

  lock_guard l {cout_mutex};