多线程程序设计（二）——Immutable

本文摘要了《Java多线程设计模式》一书中提及的 Immutable 模式的适用场景，并针对书中例子（若干名称有微调）给出一份 C++ 参考实现及其 UML 逻辑图，也列出与之相关的模式。

◆ 适用场景

多个线程在同时访问共享数据时，只需要读取数据而不必修改数据。

◆ 解决方案

无需使用锁机制，也不提供修改共享数据的应用程序接口（API）。

◆ 参考实现

例子模拟 3 个打印机不停地打印人的信息。

class Person
{

    ...
        
    string
    get_name()
    {
        ...
    }


    string
    get_address()
    {
        ...
    }



    string
    to_string() const
    {
        ...
    }

};

Person 是一个 Immutable 类，没有使用锁机制，也不提供修改其中内容的接口。

class Printer
{

    ...

    Person const&
    __person__;

    ...
    
    void
    run()                      #1
    {
        while (true) {                #2
            std::printf("%s prints %s.\n", __name__.c_str(), __person__.to_string().c_str());
            std::this_thread::sleep_for(milliseconds(std::rand()%1000));
        }
    }

};

...

int
main(int argc, char * argv[])
{
    ...
    
    Person alice("Alice", "Alaska");
    Printer p1("Printer1", alice);
    Printer p2("Printer2", alice);
    Printer p3("Printer3", alice);

    thread t1(&Printer::run, &p1);
    thread t2(&Printer::run, &p2);              #3
    thread t3(&Printer::run, &p3);

    t1.join();
    t2.join();                  #4
    t3.join();

    ...
}

Printer::run() 作为线程的初始函数（#1），模拟打印机不停地打印人的信息（#2）。在主线程中启动这 3 个打印机子线程（#3）后，等待子线程完成（#4）。

以下类图展现了代码主要逻辑结构,

以下顺序图展现了线程间并发中的交互。

◆ 验证测试

笔者在实验环境一中编译代码（-std=c++11）成功后运行可执行文件，

$ g++ -std=c++11 -lpthread immutable.cpp 
$ ./a.out

运行结果如下：

...
Printer1 prints [ Person: name = Alice, address = Alaska ].
Printer3 prints [ Person: name = Alice, address = Alaska ].
Printer2 prints [ Person: name = Alice, address = Alaska ].
Printer2 prints [ Person: name = Alice, address = Alaska ].
Printer1 prints [ Person: name = Alice, address = Alaska ].
Printer1 prints [ Person: name = Alice, address = Alaska ].
...

可以看到三个线程交替地打印出信息。

◆ 相关模式

• 对多个线程进行共享互斥，可以使用 Single Threaded Execution 模式。
• 想要分离“读”线程和“读”线程，可以使用 Read-Write Lock 模式。

◆ 最后

完整的代码请参考 [gitee] cnblogs/18752329 。更多模式请参考多线程程序设计。

致《Java多线程设计模式》的作者结城浩。写作中也参考了《C++并发编程实战》中的若干建议，致作者 Anthony Williams 和译者周全等。